药物研究与发展：第05章 药物基因组学

PAGE蓝色字为判断题内容第五章药物基因组学临床上最常见的一个现象就是不同的病人对同一种药物有不同的反应，这一直是困扰临床治疗的一个十分棘手的问题。随着研究的不断深入，人们发现这些差异大多源于基因差异，基于此，有人提出“药物基因组学（pharmacogenomics）”的概念，它主要研究病人对药物的反应是如何受其基因影响的，以解决为什么不同的病人对同一种药物有不同反应的临床难题。基因多态性是药物基因组学的分子基础。影响药物作用的遗传差异的发现将导致新的诊断程序和治疗产品的开发，从而可以有选择地给病人用药，做到既有效又安全。第一节药物基因组学的诞生早在50年代，人们就已经发现不同的遗传背景会导致药物反应的差异。例如Carson等发现，抗疟治疗后的溶血现象与红细胞中编码葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的基因有关；Evans等也发现外周神经炎病人对异烟肼的反应差异与编码药物乙酰化酶的基因有关等。这都是因为编码药物代谢酶的基因具有多态性，导致它所编码的酶具有不同的活力，从而对药物的作用也不一样。分子遗传变异的研究并不太晚，1979年杰弗里就提出基因组中每100个碱基中就有一个呈现变异，但是直到80年代后期才把这些差异引进药物遗传学。第一个被阐明的具有基因多态性的酶是CYP2D6，它是细胞色素Ｐ450超家族中的一员，编码此酶的基因具有遗传多态性，导致病人对药物呈现不同的代谢方式。此后，很多具有基因多态性的酶不断为人们所发现。随着组合化学、高通量筛选技术的运用和人类基因组计划(ＨＧＰ)的不断深入，人们将会研究出更多新的化学实体(novelchemicalentity,NCE)用于临床治疗。以往约有80%的NCE在临床Ｉ期、Ⅱ期或者Ⅲ期试验时出现令人不愉快的毒副作用，而这些毒副作用有时仅仅在少数人当中出现，但其结果却会使很多制药公司前功尽弃。药物基因组学可运用大范围系统的基因组技术钓出药物应答基因(与药物作用有关的基因，现在还未被公认)，在基因水平上设计NCE，避免病人服用低效、无效甚至有毒副作用的药物，从而结束单一处方的时代。所以，可以预料药物基因组学的诞生和进一步研究与应用将会给药物开发带来一次突破性的革命，并将从此改变临床惯例，不仅各个制药公司会从中获益，而且消费者也会因此节省很多时间和金钱。1997年6月28日，金赛特(巴黎)和可伯特（Genset-Abbott）实验室宣布成立世界上第一个独特的基因与制药公司，研究基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并在此基础上研制新的药物或新的用药方法。从此，正式开创了药物基因组学研究的新纪元。第二节药物基因组学与遗传药理学遗传药理学(pharmacogenetics)的研究已有40余年的历史，是临床药理学的一个重要组成部分。遗传药理学的主要任务是研究药物反应差异与遗传的关系，遗传变异的分子基础和临床意义，研究用药前能否用简单方法预测出遗传变异，以及进一步研究药物遗传基因的影响，探索遗传缺陷的药物治疗问题。药物基因组学与遗传药理学既有联系又有区别，药物基因组学以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性之间的关系；遗传药理学研究的内容更广，但由于其相对复杂，不容易在临床应用，而药物基因组学研究的内容相对局限，主要在基因水平研究药效的差异，由于基因分析技术的发展，药物基因组学更易于在临床应用。药物基因组学是基于药物反应的遗传多态性提出来的，所以遗传多态性是药物基因组学的基础。药物的遗传多态性可以表现为药物代谢酶的多态性、药物转运体的多态性、药物受体的多态性和药物靶标的多态性等等。这些多态性的存在都可能导致许多药疗中药物药效和毒副作用的个体间差异。药物基因组学正是从基因水平揭示这些差异的遗传特征，包括选择人体(或其它物种)中有关药物作用、活性及排除的侯选基因,以及鉴别基因序列中的差异。这些差异既可在生化水平上进行研究以评价它在药物作用中的功能意义，也可在群体水平上研究以确定它在药物作用中与所观察到的表型差异的统计学联系。所以，药物基因组学在加快药物开发的同时，用更加科学的手段给病人看病开药，即依据病人的基因组特征优化药疗方案，减少药疗的费用和风险。药物基因组学研究一直重视遗传多态性代谢酶基因在药物吸收过程中的作用与地位。例如CYP2D6，由于它存在多态性导致病人呈现两种代谢表型：快代谢型和慢代谢型。慢代谢型的病人的2D6酶不能很好地分解药物，所以病人血液中活性药物浓度升高，导致体温过低、惊厥或肾衰。陈枢青等利用等位基因特异扩增法测定等位基因CYP2D6T（CYP2D6第1795位胸腺嘧啶核苷缺失造成CYP2D6酶活性缺陷，该等位基因被称为CYP2D6Ｔ)，从而增加了预测CYP2D6表型的准确性。该家族成员还有CYP1A1、CYP2A6、CYP2C9、CYP2C19和CYP2E1等。此外还有Ｎ－乙酰转移酶基因NAT1和NAT2。直到近来，人们才开始研究药物靶标和药物作用通道水平的遗传多态性，例如，载脂蛋白Ｅ等位基因ApoE4，不仅与进行性老年痴呆症的发病率低有关，而且能导致胆碱酯酶抑制剂治疗反应低下。此外还有胆固醇酯转运蛋白、5-羟色胺2A受体、胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶、血管紧张素Ｉ转化酶等。第三节药物基因组学与药物研究及发展虽然目前大部分公司还是注重影响病人发展成某种疾病的基因，但是销售基因检测试剂盒的原则已经完善，而药物基因组学提供了能被检测的全新的基因范围——药物应答基因，所以诊断性公司将会对此日益感兴趣。利用药物基因组学可以实现药物的目标销售，这往往可以“拯救”一种药物，甚至拯救一个公司。最典型的例子是Novatis公司开发的抗精神分裂症药氯氮平，这种药现在仍被看作是治疗精神病的首选药物，但是它有一个致命的缺陷，约1%的病人服用后会得一种可能危及生命的血液病——粒细胞缺乏症，如此严重的情况大大缩小了它的市场，如果能够检测出粒细胞缺乏症的药物应答基因，无疑将大大拓宽它的市场。此外还可在药物的开发中利用药物基因组学，譬如在某种药物进入临床试验时弄清楚相关的药物应答基因，从Ｉ期临床试验开始就对受试人群进行基因分型，随时收集试验结果，等到Ⅲ期临床，公司就可以准确地知道该种药物适合于哪些患者，这无疑会为公司带来很多益处，避免许多不必要的损失(这种损失现在还广泛存在)。人们已经逐渐认识到，有关药物作用的遗传影响与生物反应的变异性的信息将在新药的设计、发现和成功开发方面起重要作用。美国国立卫生研究院(ＮＩＨ)于1998年计划建立一个药物基因组学资料库，收集“个体”基因及其功能的资料以便于药物开发。从1997年以来，已经有几十家制药公司开始涉足药物基因组学领域，如前面提到的Abbott制药公司和Genset公司签署了4,300万美元的协议，用于开发基因检测盒和开发新药；ParkeDavis公司也签署了900万美元的协议将Gengyne公司的遗传学技术开始用于药物基因组学；EuronaMedical公司也筹集了800万美元专门用于建立药物基因组学模型及基因检测。所以基于遗传差异并对药物功效和安全性做出贡献的产品将可能是最重要的临床应用。第四节药物基因组学与药物临床试验由于用于检测不同人群中药物作用的多中心试验没有提供连续分析所需要的遗传学亚型、同胞对或家系，因而药物基因组学必须依靠不够有力的方法来展示与遗传标记的相关性。明确影响药物动力学、活性、安全性的基因及建立新化学实体(NCE)与特定基因的关系，可以有效地筛选NCE，并可为新药申报提供药物基因组学数据，降低新药开发的风险、节约经费、缩短开发周期并减少试验人数。在临床前阶段，可利用靶基因筛选ＮＣＥ，筛选出对该基因型作用最好的化合物，在进入临床试验时，选择具有该基因型病人进行临床观察。在进行临床试验时，需用基因诊断试剂或标记物筛选观察对象，排除药物效应不佳的基因型病人，选择药物作用发挥好的对象。ＤＮＡ芯片技术可快速鉴别个体的基因特性，提供药物代谢酶基因的多态性数据，还可以鉴别基因的不同表达对药物效应的影响。Affimetrix公司已上市CYP2D6/CYP2C19基因芯片，可快速鉴别代谢酶缺乏者。利用基因特性筛选临床试验对象，可以使一些原认为无效的药物重新用于临床，如：一种治疗Alzheimer’s病的药物，400例临床观察，其疗效无统计学意义，但重新按载脂蛋白Ｅ(ApoＥ)亚型筛选观察对象后，则显示有明显的临床作用。对已上市，但因其副作用而较少使用的药物，用药物基因组学鉴别无副作用的基因型病人，明确使用范围，可增加市场销售量。对于因毒、副反应大被淘汰的药物，即使是已淘汰很长时间，或仅在Ⅰ期临床试验就被淘汰的化合物，同样利用基因特性选择作用对象，仍有可能在临床上得到应用。在药物临床试验的后期，药物基因组学仍起到重要的作用。只有在临床试验的后期，当大量病人使用药物后，一些与罕见的副作用有关的基因及其决定的药物效应的多样性才能被发现。第五节药物基因组学研究的方法药物基因组学的研究不同于一般的基因学研究，不需要发现新的基因。影响药物效应的基因经常是通过细胞生物学或生物化学研究已经发现了的基因，还可以使用药物作为探针发现已知基因有意义的功能与药物效应的关系，或者发现与药效相关的有意义基因。药物基因组学研究的主要策略包括选择药物起效、活化、排泄等过程相关的候选基因进行研究，鉴定基因序列的变异。这些变异既可以在生化水平进行研究，估计它们在药物作用中的意义，也可以在人群中进行研究，用统计学原理分析基因突变与药效的关系。基因技术的发展已经给鉴定遗传变异对药物作用的影响提供了前提条件。已经有研究开始鉴定一些普通的基因变异，这些基因是药物作用的靶子，或者一些与控制药物作用、分布、排泄相关的基因。这些研究成果将有助于预测病人药物治疗的有效性与安全性，这种预测试验也可能成为医生在医疗实践中一种常规检查手段，去决定哪种药物对某个病人最有效、最安全，同时可以避免潜在的药物毒副作用，病人可以更快地得到有效的治疗药物处方，治疗将更有效、更经济。药物基因组学需要高效的基因变异检测方法，只花少量的费用就可获得病人某个药物相关基因的变异情况，这样才能有实用价值。最简单的方法是，检查从大量个体扩增出来的某个基因产物，检查是否有插入和缺失的变异，证明变异基因在序列中的位置和理想的特异碱基置换。更有意义的是那种在一个基因中鉴定多个突变的相对位置，可以为每一个病人提供等位基因的单倍型(haplotype)。药物基因组学涉及的研究大体可分为3个阶段：首先检测一些候选基因，寻找等位缺失以及造成的生物学后果；其次借助现有分子遗传学等技术，同时进行更多候选基因的研究；最后进行基因组水平的关联分析。方法学上依赖于药理学、生物化学、遗传学及基因组学，其中主要涉及到的方法和技术有：1.表型(phenotype)和基因型(genotype)分析药物代谢的表型分析可通过测定其代谢情况或临床结果而获得。基因型分析涉及PCR-RFLP(polymerasechainreaction-restrictionfragmentlengthpolymorphism)、多重PCR、等位基因特异性扩增、寡核苷酸连接分析、高密度芯片分析、质谱分析等一系列技术。2.连锁分析(linkageanalysis)和关联分析(associationanalysis)复杂疾病的基因组分型方法有连锁分析和关联分析。连锁分析是用微卫星ＤＮＡ标记对家系定型根据家系遗传信息中基因间的重组率计算出两基因之间的染色体图距。另外根据疾病有无合适的遗传模式，可分别进行参数分析与非参数分析。关联分析则在不相关人群中寻找与性状(疾病或药物反应)相关的染色体区域。如果某一等位基因能增加患某种疾病的风险，那么患者中含这等位基因的频率应高于正常者，即这一等位基因与该疾病存在着关联。在连锁分析上，特定位点的所有等位片段都起作用；反之，关联分析可检测单个等位片段的作用。在常见的复杂性疾病中，由于每个效应基因的贡献度较小，应用关联分析往往较连锁分析更为有效。3.药物效应图谱(medicineresponseprofile,ＭＲＰｓ)该技术利用患者微量的ＤＮＡ来预测他们对某种药物的效应。目前用于研究临床药物在一小部分患者群体中所产生罕见不良反应以及协助医生确定患者是否对相对罕见而严重的药物不良反应具有易感性。4.单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphisms,SNPs)一些群体中的正常个体，其基因组ＤＮＡ的某些位点的单碱基对存在差别，出现两种或两种以上的不同核苷酸。当单核苷酸次要等位型出现在群体中的频率大于1%时，即定为SNPs。ＳＮＰｓ的检测分析多基于ＰＣＲ技术。分析核苷酸多态性，通常有两种研究平台：以质谱为基础的平台和以荧光标记为基础的平台。前者运用质谱仪确定特异寡核苷酸微小的质量变化来验证相关SNPs。后者以荧光探针为检测标记。ＳＮＰｓ具有高信息量、高密度、便于自动化操作的特点，因此在药物基因组学研究中可发挥重要的作用。它可作为一种高效的多态标记，用于复杂性疾病的关联分析；也可作为个体遗传特征的十分有效的标记，用以构建ＳＮＰｓ图谱，对疾病进行准确的基因诊断。5.芯片技术主要指ＤＮＡ芯片和蛋白质芯片。ＤＮＡ芯片在药物基因组学研究中应用广泛：对患者治疗前的基因诊断，确定其基因多态性，实施个体优化治疗；对特定人群的基因诊断，有助于针对性地开发新药；进行转录分析，提供药物基因组学标记，有助药物筛选。蛋白质芯片能同时检测生物样品中与某种疾病或环境因素损伤可能相关的全部蛋白质的含量变化情况，即表型指纹(phenomicfingerprint)，应用于研究蛋白质水平的多态性。6.表达水平多态性分析疾病进程、药物作用和ＤＮＡ之间的关系是间接的，而相应的蛋白质与疾病进程和药物作用密切相关。因此表达水平的多态性分析，在预测药物对疾病的疗效、疾病进程，阐明不同个体间的差异方面是相当重要的。第六节药物代谢酶多态性许多药物代谢酶在人群中具有基因变异，其中大多数表现为药物代谢酶活性多态性，此种多态性是一种单基因性状，由同一正常人群中的同一基因座上具有多个等位基因引起，并由此导致药物和机体的相互反应出现多种表型。这多个等位基因中的任何一对等位基因决定的表型的发生频率应在1%以上。如果发生率低于1%，则称为罕见性状，由自发性突变引起。一、异喹胍氧化代谢多态性异喹胍为抗高血压药，每日剂量范围为20～400mg，这种高达20倍的个体差异是由异喹胍在不同个体内的不同代谢速率所引起。异喹胍主要经肝内代谢生成4’-羟异喹胍。人群对异喹胍的4’-羟化能力呈二态分布，故有强代谢者(extensivemetabolizer，EM)和弱代谢者(poormetabolizer,PM)两个表型之分。PM和EM表型是根据异喹胍的代谢比值，即服用异喹胍后8h内尿中异喹胍和4’-羟异喹胍两者之比确定的。大于12.6者为PM，但不同人种确定PM的代谢比值可能不同。抗心律失常及催产药司巴丁的4’-羟化代谢也是由CYP2D6催化的，它们的氧化缺失受同一基因控制。因此也可以作为CYP2D6多态性的一种测试药，尿内代谢比值(司巴丁/2-羟司巴丁+5-羟司巴丁)大于20者被认为是PM。基因型分析不需服用药物，结果不受药物相互作用或疾病的影响，且能鉴定单个突变基因的杂合子携带者。人类肝微粒体CYP2D6已被纯化。1984年至1986年间，几个实验室以丁呋洛尔为检测试剂，从EM的肝微粒体中，陆续纯化出CYP2D6，此酶为多肽，分子量51,000。在慢代谢者(PM)的肝微粒体中，含量极少。随后从大鼠肝微粒体内分离出催化异喹胍4'-羟化代谢的细胞色素P45OUT-H，由之产生的抗体后来被用来鉴定从人体肝微粒体纯化的4'-羟化异喹胍代谢酶。PM个体不能对异喹胍进行4’-羟化代谢，为常染色体隐性遗传，由一个单基因座上的两个等位基因控制，其基因型是隐性等位基因的纯合子(pp)，EM个体是显性等位基因的纯合子(EE)或杂合子(Ep)。个体的羟化能力呈基因剂量效应。人体内异喹胍的特异性氧化酶为CYP2D6，控制CYP2D6的等位基因定位在第22号染色体长臂上的2D基因座，由CYP2D6、CYP2D7P和CYP2D8P三个基因构成，其中仅CYP2D6基因能在肝中转录表达生成CYP2D6。表型为PM的羟化能力低下或缺如是因其肝内缺乏CYP2D6。PM缺乏CYP2D6的分子基础是CYP2D6基因座上的等位基因发生四种形式的突变，即2D6-A，2D6-B，2D6-C和2D6-D。这些突变基因使正常基因2D6-wt的活性消失，并因此决定为PM表型。2D6-A和2D6-B等位突变基因提前终止翻译而导致酶蛋白的末端合成障碍;2D6-C等位突变基因有3个碱基对缺失，致使合成的CYP2D6酶蛋白结构缺失赖氨酸残基而活性低下;2D6D-D等位突变基因是指CYP2D6基因完全缺失。正常基因CYP2D6-wt由29kb和4kb两个片段组成(通常称Xbal29kb)，2D6-A是5号外显子缺失一个核苷酸，2D6-B有7个点突变，但均无片段长度改变。异喹胍PM的突变基因大多是2D6-B(出现率为75%)和2D6A(约为6%)，其基因型是2D6-B／2D6-B或2D6-B／2D6-A;EM的基因型是2D6-wt的纯合子或杂合子，2D6－wt在EM中的频率平均为83%。异喹胍弱代谢表型的发生率在具有不同遗传背景的人群中有显著差别。中国汉人为0～1%，中国各民族中藏族为1.52%，维吾尔族为0.63%，蒙古族为0.81%，侗族为0.8%，苗族为0%。白种人的发生率显著高于中国人，达5%～10%。因此，由遗传决定的某些药物氧化代谢多态性的不同分布，可能成为不同种族病人对这些药物所需剂量不同的重要原因。许多药物的体内代谢由CYP2D6控制(阿普洛尔、丁呋洛尔、美托洛尔、普奈洛尔、噻吗洛尔、布尼洛尔、卡维洛尔、奎尼丁、恩卡尼、司巴丁、氟卡尼、普罗帕酮、安搏律定、美西律、异喹胍、胍生、吲哚拉明、哌克昔林；特罗地林、曲马朵、托比色创、奋乃静、氟哌啶醇、利螺环酮、硫利达嗪、珠氯噻醇、可待因、甲氧苯丙胺、右美沙芬、苯乙双胍、阿米替林、丙咪嗪、氯米帕明(氯丙咪嗪)、去甲丙咪嗪、去甲替林、阿米夫胺、溴法罗明、马普替林、帕罗西汀、托莫西汀)。因此，弱代谢者代谢这些药物的能力受到损害而可能毒副作用增多。CYP2D6的多态性与疾病的发生有一定关系。弱代谢者易发生红斑狼疮和帕金森病。强代谢者易发生肺癌、膀胱癌、肝癌和胃肠癌。环境中的许多前致癌物依赖于肝的氧化能力，如肺癌病人中78.8%为EM纯合子，PM因CYP2D6等位基因突变似能防止肺癌发生。首先报告CYP2D6多态性与癌症的联系是1984年，Ayesh等报告异喹胍快代谢型(EM)与肺癌相关，后经美国国家癌症中心重新分析原始数据，排除年龄、性别和吸烟史等因素的影响后，发现EM人群发生肺癌的危险是PM人群的四倍。异喹胍表型和肺癌、膀胱癌、肝癌、胃肠道癌的发生有关，和正常人比，这些病人的异喹胍代谢率分布左移，即CYP2D6的活性较高。中国人EM高达99％，为肺癌发病的高危人群。二、S-美芬妥英代谢多态性美芬妥因是一乙内酰脲类抗癫痫药，因长期用药毒副作用较多而少用。美芬妥因结构中的乙内酰脲环上的5位碳具有不对称性，因而其分子结构具有旋光异构特点。临床所用制剂为由R-和S-两种对映体组成的外消旋混合物(S：R＝1：1)。在人体内，美芬妥因的代谢具有立体选择性，S-美芬妥因绝大部分在肝内由特异性氧化酶CYP2C19氧化成4’-羟化代谢物，生成4’-羟美芬妥因，再经葡萄糖醛酸结合后，迅速从尿中排出。S-美芬妥因之4’-羟基氧化代谢反应呈遗传多态性，部分人S-美芬妥因4’-羟氧化缺如，因此在人群中S-美芬妥因代谢参数的频数呈二态分布。S-美芬妥因的4’-羟基氧化能力缺如者和正常者分别被称为PM和EM。S-美芬妥因PM表型分布在具有不同遗传背景的人群中显著不同，因而表现了很大的种族差异性。PM在北美和欧洲白种人中的发生率为3％，印度人为20.8％，中国人为14.3％，日本人为22.5％,韩国人为12.6％。从地理分布来看，S-美芬妥因的PM发生率由西向东明显增高，该趋势与异喹胍PM发生率的地域方向性恰好相反。1986年美国Guengerich等从人体肝微粒体中纯化出催化美芬妥因4’羟化代谢的两种细胞色素P450,分别称为MP-1和MP-2。这两种蛋白质具有相似的免疫化学特性和N末端序列。但具有不同的分子量(分别为50,000和48,000)，为不同的mRNAs的产物。加入细胞色素b5的重组系统可引起活性显著提高，人体细胞色素b5抗体抑制微粒体的美芬妥因4’羟化反应。微粒体的免疫纯化研究结果表明，细胞色素P450功能的改变是S-美芬妥因多态性的分子生物学基础。1988年已有人类细胞色素P450MP的cDNA克隆及其序列的报道。S-美芬妥因氧化代谢缺陷为常染色体隐性遗传，受10号染色体长臂的q24.1-q24.3片段上的一对等位基因控制。迄今已发现CYP2C19M1和CYP2C19M2两种主要突变基因，引起CYP2C19的功能缺失而导致S-美芬妥因氧化障碍。CYP2C19M1是CYP2C19等位基因的第5个外显子中相当于cDNA第681个碱基对发生了单碱基对突变(681G→A)，这样异常突变的cDNA的第5个外显子的5’端较正常的缺失了40bp，因核苷酸序列改变，导致mRNA前体拼接异常，终止密码过早出现而表达为无功能的酶蛋白。CYP2C19M2是CYP2C19的第4个外显子中相当于cDNA第636个碱基对发生了单基因突变(636G→A)，导致编码CYP2C19的第212位色氨酸的密码子成为终止密码子，同样生成无活性的酶蛋白。西方白种人和日本人中75％～85％的PM的分子遗传缺陷是CYP2C19M1，20％的日本PM具有CYP2C19M2，但在白种人中CYP2C19M2罕见。中国人的PM也存在上述两种突变基因，其中79％的PM的基因型是M1／M1纯合子，另21％的PM是M1／M2杂合子。经CYP2C19氧化的药物除了S-美芬妥因外，还有地西泮、萘普生、普萘洛尔、奥美拉唑、甲苯磺丁脲、苯妥英钠、双氯芬酸、S-华法林；四羟基大麻酚、替诺昔康、吡罗昔康、布洛芬；磺胺苯砒唑、海索比妥、氯胍等。在PM中使用这些药物时要特别警惕不良反应的发生。三、乙酰化代谢多态性药物乙酰化代谢受肝内胞浆酶N-乙酰基转移酶(N-acetyltransferase，NAT2)控制，表达该酶的基因NAT2位于第8号染色体，若NAT2基因的外显子密码发生不同形式的点突变（M1、M2、M3型），则导致肝内NAT2含量不足，药物乙酰化速率减慢，相应个体表现为慢乙酰化表型，称为慢乙酰化者；由于基因剂量效应的结果，杂合子的表型可能为中间型。因此，药物乙酰化能力在人群中表现出遗传多态性，人群被分成慢、中、快代谢者，并表现为常染色体隐性单基因遗传特征，即慢乙酰化者为常染色体、纯合子、隐性性状；而快乙酰化则是杂合子或纯合子显性性状。某些非遗传因素可以增强或减弱乙酰化反应，例如饮酒、大量摄取葡萄糖、激素治疗、肾功能衰竭、肝疾病等，但这些环境因素只能改变NAT2的活性，并不能改变NAT2的结构，因而影响远没有遗传因素的影响显著。快、慢乙酰化者的发生率有很大的种族差异，白种人的快乙酰化者占30％～50％，中国人为70％～80％，加拿大爱斯基摩人则可高达95％以上。通过查明快、慢乙酰化表型的分布率，有助于对经乙酰化代谢的药物的治疗效应或毒性作用的控制。由于乙酰化能力的显著差异，药物及其代谢产物血浆浓度在慢乙酰化者和快乙酰化者之间有显著差别，并因此产生不同的临床效应。异烟肼、肼屈嗪、普鲁卡因胺、氨苯砜、磺胺类、咖啡因、硝西泮、柳氮磺吡啶等在人体内均经乙酰化代谢，它们在慢乙酰化者形成较高的血浆药物浓度，从而药理作用增强，或是产生毒性作用。应用肼屈嗪后，慢乙酰化者较多产生抗核抗体和系统性红斑狼疮样反应，其降压作用也明显增强。应用普鲁卡因胺后，慢乙酰化者易出现抗核抗体阳性，比快乙酰化者较早发生狼疮，而且发生率也较高。苯乙肼的恶心、嗜睡等不良反应在慢代谢者中较多见。柳氮磺吡啶的副作用如溶血等在慢代谢者中常见。以异烟肼治疗结核时，慢乙酰化者易发生外周神经病，可因异烟肼蓄积引起肝细胞混合功能氧化酶抑制。在慢乙酰化病人中应用异烟肼和苯妥英钠时，苯妥英钠的毒性作用增加。在治疗效应方面，因快乙酰化患者异烟肼血浆浓度较低，痰菌消失慢，且易出现耐异烟肼菌株。乙酰化代谢多态性在结核病治疗中的影响很大程度上取决于治疗方案。如果给药方案是异烟肼每日一次，则无甚影响。但若每周一次给药，快乙酰化患者则较难治愈，而且复发率较高。异烟肼可引起肝炎，乃与其代谢产物乙酰肼有关，这一不良反应的发生率与乙酰化能力相关。例如夏威夷的结核病人服用异烟肼后，肝炎发生率高达30％，可能与80％～90％的东方人(夏威夷主要是东方人)为快乙酰化者有关。因在快乙酰化者体内，异烟肼生成大量乙酰肼，乙酰肼再进一步生成活性代谢产物而引起肝坏死。乙酰化表型和某些自发性疾病的发生有密切关系。慢乙酰化者发生膀胱癌的机率比随机人群高30％，这是因为慢乙酰化者的肝和肠粘膜不能充分代谢致癌物芳香胺类物质，致使到达膀胱的芳香胺类物质增多。同时又因为膀胱粘膜的乙酰化酶也具多态性，因而慢乙酰化者不能代谢到达膀胱的芳香胺类物。快乙酰化者容易发生结肠直肠癌，原因是人类结肠粘膜酶的特性和膀胱不同，膀胱的氮位乙酰转移酶(NAT)活性较高，而N-羟基芳香胺氧位乙酰转移酶(OAT)活性则较低。但结肠的两者活性都很高，故能通过OAT的作用活化羟基芳香胺类。N-羟基芳香胺类的氧位乙酰化代谢产物可参人DNA产物，从而引起大肠癌。快乙酰化者比慢乙酰化者具有较高的活性，使致癌性N-羟基芳香胺活化，从而形成较多的芳香胺-DNA加合物。慢乙酰化代谢人群中的喉癌发生率远比快乙酰化代谢人群高，而且与吸烟有关，吸烟的慢乙酰化人群喉癌发生率是吸烟的快乙酰化人群的10.9倍。可能是因为喉粘膜上的乙酰基转移酶的多态性导致慢乙酰化者不能有效代谢烟草中所含有的致癌性胺类。快乙酰化代谢人群的乳腺癌发生率比对照人群高，病程也较活跃。而且，乳腺癌组织可能促进乙酰化代谢，故乳腺癌病人的乙酰化代谢能力增高。乙酰化代谢多态性和乳腺癌的关系还需进一步证实。淋巴瘤和快乙酰化代谢可能有关，晚期(Ⅲ、Ⅳ期)的淋巴瘤病人的乙酰化代谢能力较早期的、不很活跃的淋巴瘤患者高。而且，乙酰化能力随淋巴瘤的恶化而提高，随病情的好转而降低。对氨水杨酸盐在淋巴肉瘤和急、慢性白血病患者中的乙酰化代谢增强，对氨水杨酸盐在人体内的乙酰化代谢为单态而不是多态。关于风湿性关节炎和乙酰化代谢多态性的关系，表现在三个方面：①在数理统计学方面，快乙酰化人群中发生风湿性关节炎的可能性增高；②在临床表现方面，快乙酰化者发生风湿性关节炎的年龄提前，但其它临床症状无显著差异。慢乙酰化者较快乙酰化者口眼干燥关节炎综合征(SjÖgren综合征)发生率较高；③在药物反应与乙酰化表型的关系方面，应用柳氮磺吡啶(SASP)治疗时，不同表型的临床效应，只是快乙酰化者需较大剂量，而慢乙酰化者的上消化道的不良反应(恶心、呕吐)较多见。乙酰化代谢多态性还与其它一些不常见的疾病可能有关。慢乙酰化代谢和吉尔伯病(Gilbert病)高度相关。慢乙酰化者发生格雷夫斯病(Graves病)的平均年龄为30岁，而快乙酰化者发生这种疾病的平均年龄为40岁，显著晚于慢乙酰化代谢者。慢乙酰化代谢者比快乙酰化代谢者易发生麻风。在使用常规剂量时，经乙酰化代谢的药物在慢乙酰化者中容易发生不良反应。系统性红斑狼疮是肼屈嗪和普鲁卡因胺在慢乙酰化者中引起的主要不良反应。自然界产生的胺和肼化合物可能是引起系统性红斑狼疮的环境病因因素，在慢性乙酰化者中，可能容易引起系统性红斑狼疮，但仍需确切证据。糖尿病病人，特别是小儿糖尿病患者中的快乙酰化者较多。和I型糖尿病相比，Ⅱ型发生在快乙酰化者较多。不论何型，快乙酰化糖尿病病人多发生氯磺丙脲-乙醇性潮红，而在慢乙酰化糖尿病人中多无此反应。在Ⅱ型，乙酰化代谢率和氯磺丙脲-乙醇引起的皮肤温度呈线性关系，I型病人无此关系。这种现象产生的机制迄今不明。不论是I型或Ⅱ型糖尿病，其发生与快乙酰化代谢有关。快乙酰化者发生I型糖尿病的可能性较慢性高两倍，与Ⅱ型糖尿病的关系不如I型强。高血浆葡萄糖浓度可能在糖尿病人中使乙酰化代谢能力增高，这与较高的葡萄糖血浆浓度可以促进乙酰化代谢的这一事实相符。四、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶（一）乙醇不耐受和乙醇代谢乙醇中毒为一常见的严重行为和情绪障碍。某些个体由于遗传的原因，对乙醇敏感性增高而易出现乙醇中毒，称为乙醇不耐受。乙醇的体内代谢过程是首先主要由乙醇脱氢酶(ADH)水解成乙醛，继而再主要由乙醛脱氢酶(ALDH)水解成乙酸。乙醇引起的面红、心率加快、皮肤温度升高等症状，是因为乙醛促进肾上腺素和去甲肾上腺素分泌所致。(二)乙醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase，ADH)乙醇脱氢酶（ADH）为二聚体，由两个分子量各为4,000的亚单位组成。胎儿的ADH无活性，直到5岁左右才逐步达到成人的活性水平。ADH活性受遗传控制，有5种结构基因(ADH1、ADH2、ADH3、ADH4、ADH5)编码人体ADH，即由它们产生8个多肽亚单位(α、β1、β2、β3、γ1、γ2、π、χ)，再由这些亚单位成对组合成不同的ADH二聚体。根据蛋白质结构、亲电子性、酶促动力学特征，ADH分为三类，I类ADHs由基因ADH1、ADH2、ADH3分别编码产生，Ⅱ类ADHs由ADH4编码，Ⅲ类ADHs则由ADH5产生。I类ADHs较Ⅱ类和Ⅲ类ADHs对乙醇代谢有更大的作用。属于I类的各ADH酶均由α、β、γ亚单位中的任何两个随机组合而成。每一亚单位有374个氨基酸残基，若干外显子，如ADHl等位基因有9个外显子，长度为15kb。不同的亚单位约有10％的氨基酸交换。I类ADH所包含的3个基因均位于4号染色体长臂q21和q24之间。Ⅲ类ADH基因位于4号染色体的相同区域。具多态性特征的ADH2基因产生一种ADH的变异体，称为非典型ADH，较典型ADH具更高的活性。在正常情况下，由ADH2基因产生的ADH含有β1、γ1、γ2三种亚单位，组成β1β1、β1γ1、β1γ2，非典型ADH含一变异β2亚单位，而不是正常时的β1亚单位。非典型β2的产生是因发生了CGC→CAC转换，导致Arg47His的置换突变，而和典型的β1有别。这种突变是非典型ADH活性增高的原因。而且纯二聚体β2β2的活性比β1β1和β1β2高。至少已发现四种含非典型β2的ADH(β1β2、β2β2、β2γ1、β2γ2)。非典型ADH分布率有种族差异。华人和日本人中具非典型ADH等位基因者达90％，而白种人中不到5％。急性饮酒使血内乙醛稳态浓度显著增高可引起乙醇不耐受现象。活性增高的非典型ADH的作用是在一些个体发生这种现象的原因，东方人中非典型ADH发生率很高，故曾被认为是比白种人对乙醇敏感的原因。但下述证据表明它不是主要的：①有90％以上的东方人具有活性高于正常好几倍的非典型ADH，而因高浓度血液乙醛引起的面部潮红的发生率仅为50％；②典型和非典型ADH携带者的乙醇代谢速率无显著差异；③面部潮红和无面部潮红者的乙醇消除速率无显著差异，饮酒后的血液乙醛稳态浓度在对乙醇敏感和不敏感者中是相等的。如下所述，乙醛脱氢酶的异常才是比非典型ADH更重要的乙醇不耐受原因。(三)乙醛脱氢酶(A1dehydedehydrogenase，ALDH)乙醛可与体内一些蛋白质、磷脂、核酸等呈共价键结合。乙醛在肝和其它器官内的氧化由ALDH催化。ALDH为多肽四聚体，根据四元结构和其它生化特征，虽至少有7种不同基因编码ALDH(ALDHl、ALDH2、…ALDH7)，但根据底物特异性和亚单位组成，只有ALDHl和ALDH2才被认为是“真”ALDHs，为人体肝内的两种主要同工酶。它们的基因分别位于9号和12号染色体。ALDH2位于线粒体内，而ALDH1、ALDH3、ALDH4位于胞液内。ALDHl和ALDH2为纯四聚体，由分子量为54,000的亚单位组成。人类红细胞含有一种ALDH，和肝细胞液内的ALDHl相同。ALDH2表现遗传性多态性。大约50％日本人的肝内ALDH2功能缺失，我国45％的汉人、30％的蒙古族人和25％的壮族人的ALDH2缺损，但在白种人和黑人中，未发现有这种酶功能缺失者。华人的两个主要的ALDH2等位基因位于同一染色体基因座。ALDH2缺乏者具有一或两个突变等位基因，即或是纯合子，或是杂合子，因而这一性状为常染色体显性遗传。ALDH2基因长44kb，含13个外显子，编码有517氨基酸残基的多肽。非典型ALDH2基因在12位外显子有一单个核苷酸G→A转换，导致羧基末端Glu487Lys发生置换突变，从而形成功能缺失的酶，所形成的非典型杂四聚体酶(aaab、aabb、abbb，b表示非典型亚单位)和非典型纯四聚体酶(bbbb)的活性缺失而不能有效代谢乙醛。由于ALDH是氧化乙醛的酶，因此，它的缺损使得血液乙醛浓度升高，儿茶酚胺释放增多，从而引起面部潮红等不良反应或乙醇中毒。包括华人、日本人、朝鲜人在内的东方人对乙醇敏感，易出现面红、心动过速，主要原因是因为ALDH2缺损，不能迅速代谢由乙醇代谢生成的乙醛。依据有：①东方人中的线粒体酶(ALDH2)的遗传性缺损的发生率高；②低红细胞ALDH活性与饮酒后的心率加快呈负相关；③乙醇敏感和伴随ALDH2缺损的血液乙醛浓度升高呈正相关；④ALDH2缺损者比无面部潮红的正常ALDH2者有更高的血液乙醛浓度，但他们的乙醇浓度却相同；⑤因乙醛转化成乙酸的速率减慢，ALDH2缺损者乙醇转化成二氧化碳的速率减慢。ADH在乙醇中毒和乙醇相关性疾病中的作用迄今尚未完全阐明。由基因结构发生改变所编码的不同同工酶可能是引起酗酒者和非酗酒者遗传差异的原因。虽然酗酒者和非酗酒者的乙醇代谢速率并无显著差异，但具有肝损害或其它异常的酗酒者的血清ADH活性显著增高。至于肝ADH活性及其酶促动力学的关系则有不同发现。有报道，和非酗酒者相比，酗酒者的ADH酶动力学过程发生改变。但也有学者证明，尽管伴有乙醇性肝疾病的患者肝ADH活性有明显改变，但其乙醇代谢动力学过程并未有相应的变化。五、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺陷葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphatedehydrogenase，G6PD)缺陷为一红细胞疾患，某些食物、药物和其它一些氧化剂在G6PD缺陷者中可引起溶血性贫血。G6PD为一性联酶，编码基因位于X染色体长臂，长约20kb，含有一长1548bp的编码序列，表现多态性。使用生化方法，迄今已识别至少400多种变异体，但仅查出约30种不同突变，所有突变均在编码区。除了一种突变外，其余突变均为点突变，而其中50％以上为C→G置换。G6PD缺陷是人类的一种最常见的遗传性酶异常，如果将男、女两性的基因携带者计算在内，大约有3亿人受到影响。G6PD缺陷可引起药物性溶血。G6PD缺陷引起红细胞崩解的原因是细胞不能维持还原型谷胱甘肽(GSH)的正常浓度。红细胞内葡萄糖经磷酸戊糖通路代谢过程需G6PD参与，在G6PD作用下，6-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖酸。与此同时，三磷酸吡啶核苷酸(TPN)被还原为辅酶Ⅱ(NADPH)，NADPH为谷胱甘肽还原酶的辅酶。在氧化型谷胱甘肽(GSSG)被还原为还原型谷胱甘肽(GSH)的过程中，NADPH又转化成TPN。GSH可维持蛋白质分子中的巯基(-SH)处于还原状态，从而维持红细胞膜的完整性和红细胞的正常代谢。G6PD缺乏使NADPH生成减少，GSH随之减少，且稳定性下降。在抗氧化药物等的作用下，G6PD的缺陷不会引起细胞膜的破坏。但若服用氧化药物或食用鲜蚕豆(含蚕豆素)等时，氧化性药物在红细胞内生成H2O2，H2O2使还原型谷胱甘肽氧化，GSH进一步减少，二硫化的谷胱苷肽可吸附于血红蛋白。二硫化物-谷胱甘肽-血红蛋白复合物不稳定，并使血红蛋白氧化变性。这些改变使红细胞膜受损而导致溶血。G6PD缺乏者应避免使用可能引起G6PD缺陷者发生溶血的药物(伯氨喹、氯喹、扑疟喹、戊氨喹、氨苯砜、亚磺氨苯砜、噻唑砜、氨苯磺胺、磺胺醋酰钠、磺胺异噁唑、柳氮磺吡啶、磺胺对甲氧嘧啶、呋喃妥因、呋喃唑酮、呋喃西林、阿司匹林、非那西丁、乙酰苯胺、维生素K及水溶性同类物、萘、羧苯磺胺、二巯基丙醇、亚甲蓝、乙酰苯肼、苯肼、氨甲苯酸、萘啶酸、新砷凡那明、奎宁、奎尼丁、氯霉素，也要避免食用新鲜蚕豆和接触其花粉。第七节药物-受体反应异常一、纤维性囊肿病纤维性囊肿病(cysticfibrosis)是一种儿童和成人均可发生的遗传性疾患，由呼吸道、消化道和生殖道外分泌上皮细胞的水和电解质转运异常引起。表现为外分泌性胰腺功能不全、汗内氯离子浓度增高、寿命缩短。白种人新生儿发病率为1/2500。虽有多种表型变异，但呼吸道病变大多十分突出，主要表现为慢性呼吸道阻塞，由厚而粘滞的粘膜引起。绿脓杆菌引起的肺炎常为致死原因。纤维性囊肿病为常染色体隐性遗传病，基因定位在7号染色体长臂的7q31。约70％的纤维性囊肿病的染色体在密码子508(三个碱基对)发生缺失突变(ΔF508)。突变发生率有显著的种族差异，在北欧，ΔF508发生率高达70％～90％，但在地中海地区发生率不到50％，其他人种则更少发生。与纤维性囊肿病相关的基因座含24个外显子，它们编码表达含1480个氨基酸和分子量为168,138的蛋白质，称为“纤维性囊肿病跨膜调节体(cysticfiborosistransmembraneconductanceregulator，CFTR)”。它具有一个反复多次跨膜的部位和一个能和ATP结合的部位。在纤维性囊肿病患者，由于CFTR由3个碱基对缺失的突变基因（ΔF508突变）表达，成为无功能蛋白，不能与ATP有效结合，使经CFTR途径的磷酸化反应不能活化，从而引起水和电解质转运障碍。根据上述分子生物学发现；对纤维性囊肿病的药理学治疗应针对CFTR以及ΔF508突变的活化。可以试用促进cAMP产生的药物，也可用利尿剂阿米洛利(amiloride)，以阻断呼吸道细胞对Na＋的过量摄取。还可用DNA酶消化蓄积在肺上的厚且感染的粘膜。二、恶性高热恶性高热(malignanthyperthermia)为全身麻醉时的一种罕见的且常可致命的反应。它是最早发现的由受体缺陷引起的遗传药理学现象中的一种。表现为琥珀酰胆碱的肌松作用失效，不明原因的心动过速、体温升高、并迅速上升到极点。有的病人可有部分或大部分肌肉紧张。发作时各种肌酶和蛋白释放入血浆，明显缺氧，代谢性和呼吸性酸中毒，血钾升高。早期死于心力衰竭，晚期死于肌红蛋白血症引起的肾功能衰竭。恶性高热发生的原因是全身麻醉药如乙醚、氧化亚氮、氟烷、环丙烷等对骨骼肌的异常作用。氟烷等全身麻醉药使肌浆网过量释放Ca2+，因而肌浆网内Ca2+浓度升高，较高浓度的Ca2+通过肌动蛋白、内质网、线粒体而使ATP酶活性增高，引起肌肉收缩和代谢过旺，从而产生高热。恶性高热是一种骨骼肌的常染色体显性遗传性异常。由麻醉剂或肌肉松弛药引起Ca2+释放过多是因为Ca2+释放通道的遗传变异引起。兰尼丁受体(RYRl，ryanodinereceptor)是Ca2+释放通道蛋白，含Ca2+通道，其功能是释放Ca2+，同时也作为骨骼肌内肌浆网和T小管的桥梁结构。RYRl受体蛋白的基因定位在19号染色体的q13.1～q13.2区。发生恶性高热是因为这些个体的RYRl受体蛋白等位基因发生突变，从而合成异常RYRl受体蛋白。迄今已发现两种RYRl的基因突变。一种是在受体的615密码子的T1843C核苷酸发生了一个点突变。这种突变发生在5％的恶性高热家庭。另一突变发生在Gly248Arg。在某些患病家系，恶性高热的发生与RYRl受体无关。他们的发病基因定位在17号染色体的q11.2-24区，其异常引起信号系统改变，导致脂肪酸和三磷酸肌醇生成，成为另一恶性高热的发病原因。体外挛缩试验(IVCT)可用以评价病人的敏感性。这种试验的依据是在体外测定由氟烷、兰尼丁和咖啡因引起的肌肉收缩，根据收缩情况区分病人是否对恶性高热敏感。治疗措施包括及时确诊、立即停止手术和麻醉、冷冻处理、纠正酸中毒等。静脉输注肌松药硝苯呋海因(dantrolene)可阻断肌浆网对Ca2+的释放，从而减少肌张力和产热，以终止发作，挽救生命。对恶性高热的基因诊断方法仍然在研究中，因为不同突变可产生同一表型，故每种变异可能需特异性诊断方法。三、胰岛素耐受症胰岛素受体为大分子跨膜糖蛋白，由两个分子量为135,000的α亚单位(含719或731个氨基酸)和两个分子量为95,000的β亚单位(含620个氨基酸)组成，两个亚单位经一个二硫键连接。胰岛素受体的前体为一条单链分子，含有α和β亚单位的全部序列，亚单位间由4个氨基酸残基分开。α亚单位完全位于细胞外侧，拥有胰岛素结合部位；而β亚单位为跨膜蛋白，具有酪氨酸蛋白激酶活性。胰岛素与α亚单位结合后，激活β亚单位的酪氨酸激酶，引起一系列生物化学反应而产生胰岛素效应。1988年首次报道胰岛素受体基因。随后发现25种以上的突变，其中大多为错义突变或终止密码提前，有时同一突变可在无亲缘关系的病人中发现，但大多数突变只能在同一亲缘族中检出。有些病人可以有两种突变等位基因，因而来自同一近亲系谱的病人可为同一突变的纯合子，也可为由两种突变基因组合的杂合子。根据对胰岛素功能的影响，突变可分为5类：①受体合成障碍：某些突变导致受体mRNA水平降低，包括无义突变、内含子和外显子接点突变、核苷酸缺失引起的移码突变。②受体转运障碍：某些突变干扰转录后修饰作用(即N-和O-糖基化作用、亚单位间的二硫键的生成、蛋白分解成α、β亚单位、酰化作用等)，这些突变主要发生在α亚单位的N末端段的Lysl5、Arg209、Val382，导致胰岛素受体量减少和与胰岛素的亲和力降低；③胰岛素结合亲和力降低：最早报道的降低胰岛素受体亲和力的突变是位于α和β亚单位之间的由蛋白水解而分开的Arg-Lys-Arg-Arg段的最后一个氨基酸，即第735氨基酸发生Arg→Ser置换。使受体前体的两个亚基不能水解分开，受体的构型发生改变，因而和胰岛素的亲和力降低。Lysl5置换突变抑制受体向细胞表面转运，也可引起胰岛素亲和力降低至少5倍。④酪氨酸激酶活性降低：许多在β亚单位的酪氨酸激酶区段的突变抑制酪氨酸激酶活性。Vall008突变是由于Glyl008被Vall008置换，为令酪氨酸激酶失活的一种突变。⑤加速受体降解：胰岛素和受体结合后，结合的复合物发生细胞摄粒作用，并在核内酸性条件下释放胰岛素。某些突变如G1u460、Ser462等使胰岛素-受体复合物对酸性条件脱敏而不能释放胰岛素，受体因而经旁路降解，突变型受体数量减少，并再循环至细胞表面。胰岛素耐受症家系研究表明，某些家系中的突变纯合子可以隐性方式遗