藥學(xué)分子生物學(xué)：藥物基因組學(xué)

1、藥物基因組學(xué),2,Rx + =,Rx + =,?,Rx + =,3,Rx + =,Rx + =,Differences in genetic constitution,Rx + =,PHARMACOGENETICS,4,The study of genetically controlled variations in drug response,基因（Gene）：生物體的遺傳單位，由脫氧核糖核酸（DNA）組成。DNA由4種核苷酸（A、T、C、G）組成。,人類基因組的23對(duì)染色體,從DNA到蛋白質(zhì),From DNA to Human,人類基因組計(jì)劃（human genome project, H

2、GP）,1985年美國(guó)科學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Renato Dulbecco 率先提出 1990年正式啟動(dòng) 美、英、法、德、日、中 2000年6月26日人類基因組工作草圖完成。,我國(guó)94年啟動(dòng)“中華民族基因組若干位點(diǎn)基因研究”“重大疾病相關(guān)基因研究”課題，99年承擔(dān)了人類基因組1%序列的測(cè)序任務(wù)，負(fù)責(zé)第3號(hào)染色體3千萬(wàn)核苷酸的序列測(cè)定工作。,在人類基因組計(jì)劃中，還包括對(duì)五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲(chóng)、果蠅和小鼠，稱之為人類的五種“模式生物”。,什么是基因組(Genome)?基因組就是一個(gè)物種中所有基因的整體組成。 人類基因組有兩層意義：遺傳信息和遺傳物質(zhì)。 要揭開(kāi)生命的奧秘，就需要從整

3、體水平研究基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系。 HGP：為30多億個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成的人類基因組精確測(cè)序，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。,人類基因組計(jì)劃（human genome project, HGP）,HGP的目的是解碼生命、了解生命的起源、了解生命體生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、認(rèn)識(shí)種屬之間和個(gè)體之間存在差異的起因、認(rèn)識(shí)疾病產(chǎn)生的機(jī)制以及長(zhǎng)壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。,后基因組時(shí)代,人類后基因組計(jì)劃是由序列（結(jié)構(gòu)）基因組學(xué)向功能基因組學(xué)的轉(zhuǎn)移。,前基因組時(shí)代的“釣魚(yú)”和后基因組時(shí)代的“撈魚(yú)”,人類后基因組時(shí)代的特點(diǎn),人類首次了解了自身的基因

4、序列，了解了很多遠(yuǎn)親生物的基因序列 人類正在面對(duì)指數(shù)擴(kuò)增的基因序列資料和各種數(shù)據(jù)庫(kù) 人類面臨的挑戰(zhàn)是如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹R(shí)，進(jìn)而讓這些知識(shí)服務(wù)于人類，使之能夠造福于人類的健康。,人類功能基因組學(xué)研究 以全基因組為背景，開(kāi)展人類基因及其編碼蛋白的功能研究。 目前雖然完成了絕大部分基因的序列分析，但約60%的人類基因的功能未知。 目前認(rèn)為人類有3.2萬(wàn)個(gè)基因，其中1.5萬(wàn)已知功能，1.7萬(wàn)未知功能。,人類功能基因組學(xué)研究涉及眾多的新技術(shù)，包括生物信息學(xué)技術(shù)、生物芯片技術(shù)、轉(zhuǎn)基因和基因敲除技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、基因表達(dá)譜系分析、蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)、高通量細(xì)胞篩選技術(shù)等。 人類功能基因組學(xué)必須

5、多學(xué)科協(xié)作 生物信息學(xué)是人類功能基因組學(xué)研究的必要工具,人類功能基因組,計(jì)算機(jī)科學(xué)家,生物化學(xué)家,細(xì)胞生物學(xué)家,結(jié)構(gòu)生物學(xué)家,生理學(xué)家,遺傳學(xué)家,臨床和病理學(xué)家,后基因組時(shí)代研究的重要方向,功能基因組學(xué)是基因組時(shí)代的核心和焦點(diǎn)。其所要解決的問(wèn)題包括如何識(shí)別基因組組成元素及注釋重要元素的功能。 比較基因組學(xué) 基因組的各個(gè)基因及其產(chǎn)物之間互相關(guān)聯(lián)，互相作用。對(duì)同一物種不同個(gè)體的基因組進(jìn)行比較，以及對(duì)不同物種的基因組進(jìn)行比較，不僅可以揭示生命的起源、進(jìn)化等重大生物學(xué)問(wèn)題，還具有潛在的實(shí)用價(jià)值。,結(jié)構(gòu)基因組學(xué)即借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬出未知基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的立體結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)，還可

6、以深入探求蛋白質(zhì)為何具有特定的生物學(xué)功能。 蛋白質(zhì)組學(xué) 蛋白質(zhì)隨發(fā)育階段、特定組織甚至所處環(huán)境的變遷而變化，反映了蛋白質(zhì)后加工等作用，蘊(yùn)藏著巨大的動(dòng)態(tài)的生命活動(dòng)信息量。基因序列分析難以處理的沒(méi)有任何可比較序列的孤兒基因，有望從蛋白質(zhì)組的表達(dá)變化規(guī)律中找到其生物學(xué)功能的線索，進(jìn)而揭示出其在整個(gè)功能網(wǎng)絡(luò)中的地位。,藥物基因組學(xué) 這是后基因組提出的一項(xiàng)重要課題。研究的主要內(nèi)容是人的基因多型性或變異性是如何影響藥物效果和安全性的。 代謝組學(xué) 研究生命個(gè)體對(duì)外源性物質(zhì)(藥物或毒物)的刺激、環(huán)境變化或遺傳修飾所做出的所有代謝應(yīng)答的全貌和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程 。研究機(jī)體代謝產(chǎn)物譜變化，廣泛地應(yīng)用于新藥研制從早期發(fā)現(xiàn)

7、到臨床開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。,藥物療效和毒副作用的個(gè)體間差異一直是困擾臨床治療的一個(gè)重大問(wèn)題 研究表明除了病因、病情、藥物相互作用、年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、肝腎功能等原因外,藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、藥物代謝酶、藥物作用靶標(biāo)等藥物效應(yīng)基因的多態(tài)性是影響藥物代謝與療效的關(guān)鍵因素。 在此基礎(chǔ)上,提出了藥物基因組學(xué)的概念,藥物基因組學(xué)的產(chǎn)生,藥物基因組學(xué)的產(chǎn)生,20 世紀(jì)50 年代, 遺傳藥理學(xué)(pharmcogenetics) 被正式提出,主要研究藥物代謝酶的基因多態(tài)性及其對(duì)藥物作用的影響等。 80 年代, 發(fā)現(xiàn)基因序列的差異對(duì)藥物效應(yīng)有不同的影響。,遺傳藥理學(xué)（Pharmacogenetics）,藥物基因組學(xué)（Pharma

8、cogenomics）,基因組序 列數(shù)據(jù)庫(kù),蛋白表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù),表達(dá)序列數(shù)據(jù)庫(kù),SNP數(shù)據(jù)庫(kù),藥物基因組學(xué)的產(chǎn)生,1997年6月,Abbott-Geneset 兩大制藥公司共同發(fā)起了藥物基因組計(jì)劃, Abbott-Geneset Alliance 的誕生,標(biāo)志著藥物基因組學(xué)時(shí)代的到來(lái)。 1998年6月,美國(guó)國(guó)立普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所(NIGMS) 建議啟動(dòng)藥物基因組學(xué)計(jì)劃,即從表現(xiàn)型到基因型藥物反應(yīng)的個(gè)體多樣性的研究,重點(diǎn)研究對(duì)藥物反應(yīng)表現(xiàn)型相關(guān)的基因型。,藥物基因組學(xué),基因多態(tài)性,藥物作用多樣性,個(gè)體差異,基因水平,個(gè)體化用藥,藥物基因組學(xué)的概念,藥物基因組學(xué)是以提高藥物的療效及安全性為目標(biāo),研究影

9、響藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、消除等個(gè)體差異的基因特性,以及基因變異所致的不同病人對(duì)藥物的不同反應(yīng),并由此為平臺(tái)開(kāi)發(fā)新藥、指導(dǎo)合理用藥,提高藥物作用有效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的科學(xué)。,基因多態(tài)性是藥物基因組學(xué)的基礎(chǔ)和重要研究?jī)?nèi)容 藥物代謝酶 藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 藥物作用靶點(diǎn),藥物基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容,藥物代謝酶多態(tài)性由同一基因位點(diǎn)上具有多個(gè)等位基因引起,其多態(tài)性決定表型多態(tài)性和藥物代謝酶的活性,并呈顯著的基因劑量-效應(yīng)關(guān)系,造成不同個(gè)體間藥物代謝反應(yīng)的差異,是產(chǎn)生藥物毒副作用、降低或喪失藥效的主要原因之一。,藥物基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容,轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在藥物的吸收、排泄、分布、轉(zhuǎn)運(yùn)等方面起重要作用,其變異對(duì)藥物吸收和消除具

10、有重要意義 大多數(shù)藥物與其特異性靶蛋白相互作用產(chǎn)生效應(yīng),藥物作用靶點(diǎn)的基因多態(tài)性使靶蛋白對(duì)特定藥物有不同親和力,導(dǎo)致藥物療效的不同。,藥物基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容,內(nèi)外源性物質(zhì)代謝的單加氧酶 人體內(nèi)有35種CYP450基因，分為14個(gè)家族 13家族與外源性物質(zhì)代謝有關(guān) 個(gè)體CYP450表型的不同會(huì)影響到CYP450代謝藥物在體內(nèi)的清除率 許多因素會(huì)影響CYPP450的活性 ：基因型、種族、環(huán)境、疾病等,CYP450 酶系,藥物代謝酶的多態(tài)性,2020/12/8,34,影響CYP3A 表達(dá)的SNP對(duì) 藥物代謝產(chǎn)生 不同作用,CYP450,闡明分子結(jié)構(gòu)與分布,提高用藥安全性、有效性,預(yù)測(cè)藥物作用強(qiáng)弱,根

11、據(jù)病人基因型 選擇藥物,藥物篩選,調(diào)整用藥劑量,藥物基因組學(xué)研究的主要策略包括選擇藥物起效、活化、排泄等過(guò)程相關(guān)的候選基因,尋找變異基因序列,確定基因?qū)λ幬镄?yīng)的多態(tài)性。 方法學(xué)上依賴于藥理學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)及基因組學(xué),其中特別需要高效的基因變異檢測(cè)方法,即從眾多的個(gè)體中獲得某等位基因產(chǎn)物,檢查其變異,并確定變異基因的序列變化。,CYP450 基因多態(tài)性研究方法,基因型 代謝表型（探針?biāo)幬铮?CYP450 基因多態(tài)性研究方法,基因型的測(cè)定,基因芯片法 等位基因特異性PCR擴(kuò)增法 PCR-RFLP法 DNA測(cè)序法,CYP2D6*10W/2M,雜交區(qū)域,基因芯片法,等位基因特異性PCR擴(kuò)增法,合

12、成特異性引物,PCR,凝膠電泳,PCR-RFLP法,DNA測(cè)序法,CYP1A2的基因多態(tài)性,CYP2C9的基因多態(tài)性,CYP2D6的基因多態(tài)性,CYP2C19的基因多態(tài)性,70多種突變基因 種族差異 CYP2D6*4、CYP2D6*5、CYP2D6*6和CYP2D6*3 西方人弱代謝 CYP2D6*17非洲人弱代謝 CYP2D6*2、CYP2D6*10 亞洲人 近百種底物：抗心律失常藥、受體阻滯劑、 抗高血壓藥、抗抑郁藥以及抗精神病藥,CYP2D6 基因多態(tài)性,CYP2D6基因分型芯片掃描圖像,CYP2D6*10W/*2W,CYP2D6*10W/*2M,CYP2D6*10W/*2H,CYP2D

13、6*10H/*2H,CYP2D6*10H/*2M,CYP2D6*10M/*2H,CYP2D6*10M/*2M,DNA測(cè)序結(jié)果,CYP2D6*2H,CYP2D6*10M,代謝表型測(cè)定,探針?biāo)幬锓?單一探針?biāo)幬锓?組合探針?lè)ǎ╟ocktail探針?biāo)幬锓ǎ?單一探針?biāo)幬锓?選用只被一種特定的酶亞型催化或者即使被幾種亞型催化但已確知其代謝途徑及其產(chǎn)物的物質(zhì)，通過(guò)測(cè)定其體內(nèi)的代謝速率，如在尿中、血中或者唾液中的原型物與代謝產(chǎn)物濃度的比值來(lái)作為評(píng)價(jià)該酶的活性的指標(biāo)。,CYP3A4的底物,續(xù),CYP2C19的底物,CYP1A2,CYP2D6的底物,PM,EM,Hours,Plasma Metoprolol

14、Concentration (mg/L),CYP1A2,常用的探針?biāo)幬?CYP3A4：咪達(dá)唑侖、氨苯砜、奎寧 CYP1A2：咖啡因 CYP2D6：美托洛爾、右美沙芬、異喹胍 CYP2C9：甲苯磺丁脲、雙氯酚酸 CYP2C19：奧美拉唑、美芬妥英 CYP2E1：氯唑沙宗,2020/12/8,61,美托洛爾,美托洛爾是選擇性1受體阻斷藥. 主要經(jīng)兩條途徑代謝：O去甲基代謝和羥化代謝。其中羥化代謝生成羥基美托洛爾，幾乎由CYP2D6單一途徑代謝而成。 個(gè)體差異大。 中國(guó)人臨床用藥劑量為12.5mg 50mg。 西方人臨床用藥劑量 100mg 200mg。,？,根據(jù)第一部分基因芯片分型結(jié)果，將中國(guó)健康

15、志愿者分為四組： 第1組：CYP2D6*1/*1 第2組：CYP2D6*2/*2 第3組：CYP2D6*2/*10 第4組：CYP2D6*10/*10 每組篩選10人，共40人。年齡在1845歲之間，身高和體重均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),CYP2D6代謝表型研究,四組健康志愿者單次口服100mg酒石酸美托洛爾的血藥濃度均值-時(shí)間曲線,健康志愿者單次單服100mg酒石酸美托洛爾后羥基美托洛爾的血藥濃度均值-時(shí)間曲線,*,*,*#,*#,不同CYP2D6基因型健康志愿者單服100mg美托洛爾的清除率,Cocktail探針?biāo)幬锓?Cocktail探針?biāo)幬锓ㄊ侵竿瑫r(shí)給予多種相對(duì)低劑量的探針?biāo)幬铮瑴y(cè)定生物樣本中每個(gè)

16、探藥的代謝率或其他代謝分型指標(biāo)，以獲取多個(gè)代謝酶的表型信息，對(duì)于那些有多重代謝途徑的劑量設(shè)計(jì)有極為重要意義。 優(yōu)點(diǎn)： 減少分析周期、提高分析效率 減少個(gè)體內(nèi)的差異 考慮到了環(huán)境等因素對(duì)代謝酶活性的影響,Cocktail探針?biāo)幬锓?“Cocktail”法評(píng)價(jià)肝缺血再灌與缺血預(yù)適應(yīng)對(duì)大鼠細(xì)胞色素P450酶活性的影響 Liu Y, Lou JS, et al. Biol Pharm Bull. 2009 Apr;32(4):717-20. 專利：No.200810110435.6 No.200810110436.0,five probes cocktail,Cocktail探針?biāo)幬锓ㄍ瑫r(shí)測(cè)定六種主要

17、CYP450同工酶的活性,建立新藥細(xì)胞色素P450代謝途徑篩選模型,藥物基因組學(xué)的研究狀況,基因多態(tài)性與藥效 基因多態(tài)性與藥物毒性 表達(dá)水平多態(tài)性 基因多態(tài)性與群體 基因多態(tài)性與疾病易感性,不同CYP2C19基因型潰瘍病患者經(jīng)奧美拉唑治療后的潰瘍愈合率（Furuta T, et al, 1999）,73,CYPlA2活性增強(qiáng)可能是結(jié)腸癌、膀胱癌和肺癌的危險(xiǎn)因素。,2020/12/8,CYP1A2參與煙中多環(huán)芳烴化合物的代謝，使其活化為致癌物。 Nakachi等對(duì)日本人的研究發(fā)現(xiàn)，具有C基因型的個(gè)體患肺癌的危險(xiǎn)性是其它基因型個(gè)體的7.3倍。,基因多態(tài)性與疾病易感性,藥物基因組學(xué)的應(yīng)用前景,合理用

18、藥，個(gè)體化治療 合理用藥的核心是個(gè)體化給藥?；蚨鄳B(tài)性決定了病人對(duì)藥物的不同反應(yīng),依據(jù)病人的基因組特征優(yōu)化藥物治療方案,實(shí)現(xiàn)藥物的個(gè)體化治療,可同時(shí)減少藥物治療的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn),降低病人的治療成本。,疾病診斷,藥物1,藥物2,藥物3,疾病診斷,藥物1,藥物2,藥物3,藥物敏感性測(cè)定,目前的疾病治療,將來(lái)的疾病治療,為藥物開(kāi)發(fā)開(kāi)辟一個(gè)全新領(lǐng)域 藥物基因組學(xué)以人類基因組中所有基因信息指導(dǎo)新藥開(kāi)發(fā),在整體基因組水平研究遺傳因素對(duì)藥物治療效果的影響,適用于藥物設(shè)計(jì)、臨床試驗(yàn)、批準(zhǔn)上市、使用等藥物開(kāi)發(fā)的整個(gè)周期,將使藥物開(kāi)發(fā)進(jìn)入以基因?yàn)榛A(chǔ)的藥物發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)的新的歷史階段。,藥物基因組學(xué)的應(yīng)用前景,改變傳統(tǒng)的

19、“一個(gè)藥物適于所有人”的藥物開(kāi)發(fā)模式和觀點(diǎn),根據(jù)基因的特性為某個(gè)群體、甚至個(gè)體設(shè)計(jì)藥物,推動(dòng)藥物開(kāi)發(fā)的全過(guò)程,使藥物開(kāi)發(fā)周期縮短,費(fèi)用降低。 21世紀(jì)的藥物是為每一個(gè)人設(shè)計(jì)的，因?yàn)殡S著基因芯片技術(shù)的普及和基因科學(xué)研究的深入，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)人對(duì)藥物敏感的基因、耐藥基因以及各種抗病基因表達(dá)各不相同，為達(dá)到最佳療效，藥學(xué)家的任務(wù)之一是開(kāi)發(fā)具有個(gè)體特異性的藥物。,對(duì)藥物經(jīng)濟(jì)學(xué)的意義 藥物基因組學(xué)使病人在用藥前進(jìn)行基因變異分析，可減少出現(xiàn)無(wú)效處方的可能性，減少病人就診次數(shù)，使藥物不良反應(yīng)和抗藥的危險(xiǎn)降到最低程度，達(dá)到節(jié)約醫(yī)療費(fèi)用的目的。,藥物基因組學(xué)的應(yīng)用前景,著名基因科學(xué)家克雷格文特爾,個(gè)人DNA圖譜,2007年9月，利用基因排序技術(shù)，科研人員成功繪制了著名基因科學(xué)家克雷格文特爾個(gè)人完整的DNA藍(lán)圖。 文特爾的基因編碼，與2001年“人類基因組計(jì)劃”發(fā)表的兩份人類基因組圖譜作了比較，結(jié)果表明，人類遺傳變異的數(shù)量比預(yù)想豐富的多。,個(gè)人DNA圖譜,研究人員利用從文特爾DNA中提取的1900萬(wàn)條基因序列和另外的1300萬(wàn)條序列，使用最新的方法詳細(xì)檢測(cè)了不同版本的、相同染色體的基因序列。最終發(fā)現(xiàn)了400萬(wàn)種變異，這表明DNA變異可能比之前認(rèn)為的多出7倍。 研究顛覆了遺傳學(xué)的觀點(diǎn)：所有人的同一性可達(dá)到99.9。新基因組中發(fā)現(xiàn)