藥物基因組學(xué)概念

1、關(guān)于藥物基因組學(xué)的概念第一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）. 藥物基因組學(xué)的發(fā)展 目前，藥物基因組學(xué)的發(fā)展就是將近幾年在研究人類基因組與功能基因組中發(fā)展的新技術(shù)（如高通量掃描、生物芯片、高密度單核苷酸多態(tài)性(SNP)、遺傳圖譜、生物信息學(xué)等）新知識(shí)，融入到分子醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)等諸多領(lǐng)域，并運(yùn)用這些技術(shù)與知識(shí)從整個(gè)基因組層面系統(tǒng)地去研究不同個(gè)體的基因差異與藥物療效的關(guān)系，了解具有重要功能意義的和影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、排泄的多態(tài)性基因，從而明確藥理學(xué)作用的分子機(jī)制以及各種疾病致病的遺傳學(xué)機(jī)理，最終達(dá)到指導(dǎo)臨床合理用藥、引導(dǎo)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)好藥的目的。第二張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于

2、2022年6月2藥物基因組學(xué)的概念、研究?jī)?nèi)容以及研究任務(wù)（1）概念 藥物基因組學(xué)（Pharmacogenomics）是一門研究遺傳因素與藥物反應(yīng)相互關(guān)系的學(xué)科，以提高藥物療效、安全性以及指導(dǎo)臨床合理用藥為目標(biāo)，來(lái)研究影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、消除等個(gè)體差異的基因特性，以及基因變異所導(dǎo)致的不同患者對(duì)相同藥物反應(yīng)的差異，并在此基礎(chǔ)上研制、尋找新的藥物或新的用藥方法的科學(xué)。 基因多態(tài)性是指群體中正常個(gè)體的基因在相同位置上存在差別(如單堿基對(duì)差別，或單基因、多基因以及重復(fù)序列數(shù)目的差別)，這種差別出現(xiàn)的頻率大于1%。研究表明基因的多態(tài)性是造成藥物反應(yīng)個(gè)體差異的主要原因。第三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于

3、2022年6月（2）研究?jī)?nèi)容 藥物基因組學(xué)是在整個(gè)基因組水平上研究遺傳因素對(duì)藥物治療效果的影響，它主要基于對(duì)基因多態(tài)性(包括藥物代謝酶、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體、藥物作用靶點(diǎn)的基因多態(tài)性)和對(duì)已有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的研究，來(lái)針對(duì)性地合成藥物，抑制與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)。藥物基因組學(xué)研究決定藥物吸收的基因發(fā)生突變后對(duì)藥物療效和安全性的影響，研究等位基因多態(tài)性與藥物反應(yīng)多態(tài)性之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而改變傳統(tǒng)的“一個(gè)藥物適合所有人”的觀點(diǎn)，根據(jù)基因的特性為某個(gè)群體甚至個(gè)體選擇藥物的種類和劑量，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“個(gè)體化用藥”，提高藥物的特異性、有效性，降低和避免不良反應(yīng)，節(jié)約醫(yī)療保險(xiǎn)費(fèi)用，降低研發(fā)成本等。第四張，PPT共三

4、十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（3）任務(wù)藥物基因組學(xué)的主要研究任務(wù)有以下四個(gè)方面：一是根據(jù)基因組結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)藥物的作用靶點(diǎn)，確定新的藥物的作用靶點(diǎn)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、組合化學(xué)及其他手段進(jìn)行新藥高通量篩選；二是根據(jù)某些基因多態(tài)性和表達(dá)譜的特異性改變其對(duì)藥物的敏感性，為個(gè)體化治療提供依據(jù)；三是根據(jù)與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，尋找藥物的新作用靶點(diǎn)；四是進(jìn)行藥理作用機(jī)制的研究。第五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 藥物基因組學(xué)的研究步驟和方法物基因組學(xué)的研究步驟一般是：首先明確藥物作用機(jī)制，確定與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因產(chǎn)物(如受體或酶等)，而后確定候選基因，并找出其多態(tài)性(如單核苷酸多態(tài)性

5、)并確定其功能和頻率，最后通過(guò)臨床試驗(yàn)，考察候選基因的變異與藥物反應(yīng)間的聯(lián)系。藥物基因組學(xué)主要應(yīng)用基因組技術(shù)（如基因測(cè)序、統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)、基因表達(dá)分析等）來(lái)研究和開(kāi)發(fā)藥物；應(yīng)用高效的基因檢測(cè)手段如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)、凝膠電泳、熒光染色高通量基因檢測(cè)、等位基因特異性擴(kuò)增等技術(shù)，來(lái)檢測(cè)一些與藥物作用靶點(diǎn)或能影響藥物作用、分布、排泄相關(guān)的基因變異。DNA陣列技術(shù)、高通量篩選系統(tǒng)及生物信息學(xué)等的發(fā)展，為藥物基因組學(xué)研究提供了多種手段和思路。第六張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月藥物基因組學(xué)研究的主要方法和技術(shù)（1）單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，

6、SNPs) 單核苷酸多態(tài)性是指同一位點(diǎn)的不同等位基因之間存在個(gè)別單核苷酸的差異。SNP主要從2個(gè)方面可導(dǎo)致人類個(gè)體的多樣性：一是編碼區(qū)SNP(cSNP)改變，使得基因表達(dá)產(chǎn)物中某些氨基酸發(fā)生變化，從而影響蛋白質(zhì)的功能；二是調(diào)節(jié)區(qū)SNP(rSNP)改變，使得基因的表達(dá)和調(diào)控發(fā)生變化，基因表達(dá)的量發(fā)生變化。SNPs的檢測(cè)分析大多基于PCR技術(shù)，主要有兩種研究平臺(tái)：一是以熒光探針為檢測(cè)標(biāo)記，二是運(yùn)用質(zhì)譜儀確定特異寡核苷酸微小的質(zhì)量變化來(lái)驗(yàn)證SNPs。SNPs具有高密度、信息量大、適于自動(dòng)化操作的特點(diǎn)。（2）表型和基因型分析 基因型是指一個(gè)生物個(gè)體的全部遺傳的組成，是不可見(jiàn)的，只能通過(guò)遺傳學(xué)分析來(lái)了解

7、它。個(gè)體與個(gè)體之間的表型上存在的差異，實(shí)際上反映了個(gè)體間基因型的差異。通過(guò)測(cè)定藥物代謝情況或臨床結(jié)果可獲得藥物的代謝表型?；蛐头治錾婕癙CR、多重PCR、寡核苷酸連接分析、等位基因特異性擴(kuò)增、質(zhì)譜分析、高密度芯片分析等一系列技術(shù)。第七張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月藥物基因組學(xué)研究的主要方法和技術(shù)（3）連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析 連鎖分析 是用微衛(wèi)星DNA對(duì)家系進(jìn)行標(biāo)記定型，根據(jù)家系遺傳信息中基因間的重組率計(jì)算出兩基因間的染色體圖距，根據(jù)疾病的合適遺傳模式進(jìn)行參數(shù)和非參數(shù)分析。 關(guān)聯(lián)分析 是在不相關(guān)人群中尋找與疾病或藥物反應(yīng)相關(guān)的染色體區(qū)域。在常見(jiàn)的復(fù)雜性疾病中，由于每個(gè)效應(yīng)基因的貢獻(xiàn)較小

8、，因此該法比連鎖分析更有應(yīng)用價(jià)值。（4）藥物效應(yīng)圖譜 是利用患者微量DNA來(lái)預(yù)測(cè)他們對(duì)某種藥物的反應(yīng)。目前該方法主要用于研究藥物引起的罕見(jiàn)不良反應(yīng)，并幫助醫(yī)生確定患者是否對(duì)該不良反應(yīng)具有易感性。（5）芯片技術(shù) 芯片主要是指DNA芯片和蛋白質(zhì)芯片。在藥物基因組研究中應(yīng)用較廣泛的是DNA芯片，能高通量檢測(cè)基因的表達(dá)，確定患者基因組中出現(xiàn)的多態(tài)性。第八張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二. 藥物基因組學(xué)的應(yīng)用1指導(dǎo)臨床用藥，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療 現(xiàn)代分子生物學(xué)、分子醫(yī)學(xué)以及藥物基因組等學(xué)科的發(fā)展，使醫(yī)學(xué)研究越來(lái)越趨向于個(gè)體化。通過(guò)對(duì)用藥個(gè)體基因組多態(tài)性及其對(duì)藥物反應(yīng)相關(guān)性的分析，可制定基于個(gè)體遺傳

9、學(xué)特征之上的“個(gè)體化治療”(Individualized therapies)。目前，應(yīng)用的方法是根據(jù)藥物代謝動(dòng)力學(xué)的原理，通過(guò)測(cè)定服藥者體內(nèi)的藥物濃度，計(jì)算出藥動(dòng)學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)個(gè)體化給藥方案。這一方法對(duì)于血藥濃度-藥效一致的藥物是可行的，但對(duì)于血藥濃度-藥效不一致的藥物，如何達(dá)到個(gè)體化給藥，目前尚無(wú)可靠的方法。藥物基因組學(xué)是以與藥物效應(yīng)有關(guān)的基因?yàn)榘悬c(diǎn)，以基因多態(tài)性和藥物效應(yīng)多樣性為平臺(tái)，研究遺傳基因及基因變異對(duì)藥動(dòng)學(xué)、藥效學(xué)的影響，這就彌補(bǔ)了只根據(jù)血藥濃度進(jìn)行個(gè)體化給藥的不足。如今應(yīng)用藥物基因組學(xué)的研究結(jié)果指導(dǎo)臨床安全用藥已經(jīng)取得了比較理想的結(jié)果。第九張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6

10、月續(xù)上頁(yè) 目前，與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因多態(tài)性研究主要集中在藥物代謝酶，其中對(duì)細(xì)胞色素P450家族和硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶的研究最深入。CYP2D6是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)存在藥物氧化代謝遺傳多態(tài)性的CYP450酶，攜帶有CYP2D6無(wú)效等位基因突變純合子的人，對(duì)心血管藥物（如司巴丁、異喹胍）、抗精神病藥物（三氟哌多、丙咪嗪）等高度敏感，藥物的毒副作用可能會(huì)增強(qiáng)。硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶是治療白血病藥物6-巰基嘌呤的藥物代謝酶，其活性存在遺傳多態(tài)性，缺乏硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶的患者使用標(biāo)準(zhǔn)劑量的6-巰基嘌呤，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重甚至致命的血液系統(tǒng)毒性10,11。 遺傳多態(tài)性除可表現(xiàn)為藥物代謝酶的多態(tài)性外，藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體(影響藥物的吸收、分布

11、和排泄)的多態(tài)性以及藥物作用受體或靶點(diǎn)(如-腎上腺素能受體)的多態(tài)性也會(huì)影響機(jī)體對(duì)藥物的反應(yīng)。這些多態(tài)性導(dǎo)致了許多藥物療效和不良反應(yīng)的個(gè)體間差異第十張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2促進(jìn)新藥的研究與開(kāi)發(fā) 新藥的發(fā)現(xiàn)(drug discovery)和開(kāi)發(fā)(drug deveopment)通常是高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、長(zhǎng)周期，一個(gè)新的化學(xué)藥物從發(fā)現(xiàn)到進(jìn)入市場(chǎng)需花費(fèi)10-12年的時(shí)間和5-7億美元。但是利用藥物基因組學(xué)可大大加快新藥的發(fā)現(xiàn)。髓樣造血細(xì)胞抑制因子-1(MPIF-1)是世界上第一個(gè)基因組藥物。應(yīng)用藥物基因組學(xué)開(kāi)發(fā)新藥具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn)，它根據(jù)不同的藥物效應(yīng)對(duì)基因分型，發(fā)現(xiàn)并克隆得到新

12、的基因，并借助疾病模型，研究基因和疾病的關(guān)系，確定有效靶點(diǎn)，優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)。 人類基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的大量新的基因（約5000-10000個(gè)），可做為大量新的藥物的作用靶點(diǎn)。在人基因組約3萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因中，現(xiàn)有的藥物僅作用于其中約500個(gè)基因。目前已有大量資金投入到制藥和生物技術(shù)工業(yè)中，以使用基因組知識(shí)發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)。藥物作用靶點(diǎn)的多型性表明，在以開(kāi)發(fā)新藥為目的的基因組篩選中，可以考慮DNA序列突變，這為開(kāi)發(fā)以疾病為靶點(diǎn)的新藥提供了思路。第十一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月續(xù)上頁(yè) 此外，藥物基因組學(xué)可根據(jù)基因型選擇有效的治療群體，從期臨床試驗(yàn)開(kāi)始，試驗(yàn)對(duì)象就被劃分為不同的基因型，

13、根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，在進(jìn)入、期臨床試驗(yàn)時(shí)，就確切地知道，這些藥物適合哪些病人，或選擇哪些病人作為試驗(yàn)對(duì)象，避免不良反應(yīng)的發(fā)生。重新評(píng)價(jià)原來(lái)一些證明“無(wú)效”或因不良反應(yīng)大而未獲批準(zhǔn)的藥物。利用藥物基因組學(xué)重新評(píng)價(jià)這些證明“無(wú)效”或因不良反應(yīng)大而未獲批準(zhǔn)的藥物，利用基因芯片技術(shù)將該藥物應(yīng)用于既安全又有效的那部分患者，而對(duì)不適合的患者避免使用，則該藥物可獲得批準(zhǔn)上市，從而避免巨大資金浪費(fèi)。如抗精神分裂癥藥物氯氮平，該藥是作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抗精神病藥物；在粒細(xì)胞缺乏癥的藥物效應(yīng)基因被確定后，極大地改善了其使用，除極少數(shù)敏感的病人不能服用外，對(duì)于99%的病人來(lái)說(shuō)都是一線治療藥物。第十二張，PPT共三十

14、一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. Defination1.藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）是研究基因序列的多態(tài)性與藥物效應(yīng)多樣性之間關(guān)系，即基因本身及其突變體與藥物效應(yīng)相互關(guān)系的一門科學(xué)。2.Application of genome science (genomics) to the study of human variability in drug response.3.Study of genes responsible for the variability in individual responses to drugs第十三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

15、Loose DefinitionsPharmacogeneticsIndividual variation in drug metabolism and distributionSingle genePharmacogenomicsPharmacogenetics + variation among individuals in drug targets and disease mechanismMultiple genes第十四張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. The difference and relation of pharmacogenetics and pharmac

16、ogenomicsPharmacogenetics: Genetic basis of drug response from the perspective of inherited traits and ethnic differencesi) Differences in drug metabolism and transport (PK)ii) Differences in a drug receptor (PD)Examplesi) 5% of caucasian population has altered 2D6 isozyme of cytochrome P450, its ab

17、sence dissallows conversion of the prodrug of codiene to its active form.ii) 50% of asians have alcohol intolerance due to single point mutation in aldehyde dehydrogenase leading to elevated acetaldehyde concentrations and the associated adverse reaction (headache, facial flush).Current pharmacy pra

18、ctice: Use family history, racial and ethnic background to identify possible adverse drug responseFuture pharmacy practice: Linkage of genetic tests (genetic markers) to prescribingi) Address safety concernsii) Address benefit concernsiii) Current limitations with respect to widespread use a) requir

19、e high-throughput screening approaches (DNA chips) b) robotic methods for sample preparation c) cost-effectiveness第十五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月PharmacogenomicsNon-inherited genetic traits that alter drug response or leads to a disease state (i.e. point mutations or collection of mutations): Identify trai

20、t using molecular means (PCR analysis, DNA chips).SNPs: single-nucleotide polymorphisms: Variation at a single base that is found in at least 1% of the population. i) SNP Consortium: Collaboration of pharmaceutical and technology companies and academic researchers focused on identifying SNPs. 1.8 mi

21、llion identified to date.ii) Estimates of 10 million SNPs in the human genome including non-coding regions. SNPs in non-coding regions may effect expression levels etc.iii) Important to validate a SNP in a significantly large, ethnically diverse population to determine the allele (alternative forms

22、of a gene) population frequency.iv) Focus on SNPs in regions that code for proteins, including proteins that influence ADME (absorption, distribution, metabolism and excretion).第十六張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. The study areas of Pharmacogenomics3.1. Drug Metabolism and transportMultiple companies working

23、on microarray analysis of cytochrome p450s and drug transporters to be able to predict drug metabolism in patients. In general, pharmacogenomics and pharmacogenetics will initially have their largest impact on drug metabolism rather than on drug targets.第十七張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.2. Drug targets i) I

24、nfer function based on homology with known genes (take advantage of human genome information).ii) Transgenic or knockout mice or cells (insert or remove an unknown gene and monitor organism for changes in function).iii) interference RNA or antisense agents to suppress expression of a protein associa

25、te with a particular geneiv) Mutate unknown gene and monitor organism for changes in function v) Look at population of SNPs as a function of age: SNPs that cause debilitating/fatal diseases will be observed in a smaller percentage of the population as the population ages. This is due to the individu

26、als with those genes having a higher probability of dying at an early age.Non-clinical approaches to assign function of interesting genes identified based on SNPs or DNA chip based genomic analysis.第十八張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Polygenic and Drug Response第十九張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.Pharmacogenomics of P-gpP

27、osition and distribution of variated MDR1 gene (1)第二十張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Position and distribution of variated MDR1 gene (2)第二十一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Pharmacogenomics of P-gp第二十二張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月The relationship of genotype and phenotypeHoffmeyer, S. et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97,

28、3473-3478Fig. 3. Correlation of the exon 26SNP with MDR-1 expression. The MDR-phenotype (expression and activity) of 21volunteers and patients was determined by Western blot analyses. Box plot shows the distribution of MDR-1 expression clustered according to the MDR-1 genotype at the relevant exon 2

29、6SNP第二十三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Plasma levels of digoxin after rifampin induction of P-gpHoffmeyer, S. et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 3473-3478Fig. 4. MDR-1 expression and PGP in vivo activity after rifampin induction. MDR-1 genotype in exon 26and distribution of rifampin-induced P-GP pro

30、tein expression (A) in the duodenum. (B) Distribution of plasma levels of digoxin after rifampin induction. The plasma levels of digoxin area under the curve, ghL-1 (AUC) are inversely proportional to P-GP activity in the duodenum. 第二十四張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Tirona et al., JBC 2001; Nozawa et al., JPE

31、T 2002; Nishizato et al., 2003; Niemi et al., Pharmacogenetics 2004; Morimoto et al., Drug Metab Pharmacokinet 2004IntracellularExtracellularF73LV82AN130DR152KP155TE156GV174AD241NN432DD462GG488AD655GE667GI353TN151SP336RC485FL643FL543W4. Genetic Variants of OATP1B1第二十五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TimeBlood Concentration“Normal” ActivityEnhanced ActivityDecreased ActivityHepatocyteMRP2OATP1B1BileBlood hydrophillic “statin” HMG-CoA reductase inhibitor not metabolized Clearance is uptake rate-limitedPravastatin as a Probe Drug to Study the Impact of OATP1B1 Genetic Variation in Vivo第二十六張，PPT共三十