科研动态

药物基因组学发展和应用【二】

药物基因组学为临床医生和临床药师提供了很大程度上改善几百万患者药物治疗效果的机会。但是,这个机会的利用却受到阻碍和挑战,并且新的知识还在不断的更新。

药物代谢酶的基因多态性

一、I相代谢酶

人类细胞色素P450(CYP459)超家族在诸多药物的代谢中发挥着重要作用,CYP450基因多态性在临床上表现为相应酶功能的变化。由于代谢底物种类繁多,编码药物代谢酶的CYP450基因多态性可能会增加个体对药物或其他化学物质毒副作用的敏感性。对药物代谢十分重要的CYP450主要包括CYP 1A2、CYP2C9、CYP2C19,CYP2D6、CYP2El、CYP3A4和CYP3A5,临床上所使用药物的75%是由这些酶代谢的,其中约40%由高度多态性的酶CYP2C9, CYP2C19和CYP2D6代谢。这些基因多态性的遗传基础是单核苷酸多态性(SNP)、插入和删除(in/dels)、拷贝数变异(CNVs)等,所产生的表型是超强代谢者(UMs)、强代谢者(EMs)、中间代谢者(IMs)和弱代谢者(PMs)。

(一)CYP1A2

CYP1A2约占人类肝脏CYP含量的13%,其参与代谢临床一系列重要的药物,如氯氮平、罗哌卡因、奥氮平、茶碱、氨基比林、佐米曲普坦、氨苯喋啶、美西律、非那西丁、扑热息痛、普萘洛尔、维拉帕米、普罗帕酮、氟他胺、利多卡因、丙米嗪、利鲁唑、苯海拉明、佐替平、他克林、替扎尼定、特比萘芬、硼替佐米等。CYP1A2也参与代谢氟伏沙明、普拉地平、环苯扎林、萘普生、昂丹司琼、香豆素、氟哌啶醇、司来吉兰、齐留通和来氟米特。 CYP1A2的表达和活性存在非常大的个体差异(40~130倍),在人类肝脏中CYP1A2mRNA和蛋白的表达差异有15~40倍。这些个体差异有可能影响到药物的代谢,并与药物的疗效和安全性,以及前致癌物的肿瘤易感性相关。如果用咖啡因的尿代谢比值来测定CYP1A2的活性,在不同的研究人群中则可以观察到其活性呈单峰、双峰或三峰分布。非吸烟人群中弱代谢者(PMs)的发生率在中国人中为5%,日本人中为14%,澳大利亚人中为5%。 编码CYP1A2的基因位于15号染色体上,全长7.8kb,包括7个外显子和6个内含子。现已发现至少15种突变等位基因和一系列亚突变。CYP1A2*1A被认为是野生型,研究的比较深入的突变位点主要有−3860G A (CYP1A2*1C)、 −2467delT (CYP1A2*1D)、−739T G (CYP1A2*1E)和−163C A (CYP1A2*1F)。CYP1A2*1F 的发生率在中国人群中约为0.67,可引起CYP1A2诱导性增强。 CYP1A2*1C 可引起酶活性的降低,其在中国汉族人群中的发生率为0.24。最近报道的突变位点 -3113A G在中国人群中的发生率为10%,与CYP1A2活性的降低相关。

CYP1A2的活性可被苯巴比妥、3-甲基胆蒽等多环芳香烃、奥美拉唑和-萘芬黄酮以及吸烟诱导。奥美拉唑与吸烟对CYP1A2的诱导依赖于CYP1A2的基因型,具有基因剂量效应。

(二)CYP2C9

CYP2C9是肝脏内含量最丰富的CYP酶之一,代谢约15%的临床用药( 100种),包括许多治疗指数比较窄的药物。S-氟比洛芬,S-华法林,甲苯磺丁脲,苯妥英、氯沙坦和双氯芬酸都曾经常被用作CYP2C9的探药。CYP2C9的作用底物包括磺脲类(甲苯磺丁脲、格列本脲、格列美脲、格列齐特、格列吡嗪),非甾体抗炎药(双氯芬酸、布洛芬、酮洛芬、舒洛芬、萘普生、氟比洛芬、吲哚美辛、美洛昔康、吡罗昔康、替诺昔康和氯诺昔康),选择性COX2抑制剂(塞来昔布、鲁米考昔、依托考昔、伐地考昔),利尿药(托拉塞米、磺吡酮),抗癫痫药(苯妥英和苯巴比妥),血管紧张素II受体拮抗剂(氯沙坦、厄贝沙坦和坎地沙坦),抗癌药(环磷酰胺和他莫昔芬),抗凝药(新抗凝、苯丙香豆素、华法林)。

CYP2C9位于10号染色体,该区域还分布着CYP2C8和CYP2C18和CYP2C19基因,该CYP2C基因群的排列顺序依次是CYP2C18-CYP2C19-CYP2C9-CYP2C8。CYP2C9编码产生490个氨基酸的蛋白,分子重量为55.6kDa。目前CYP2C9已发现至少有33种突变基因和一系列亚变异基因(*1B~ *34),指定CYP2C9*1A为野生型。除了CYP2C9*6 和CYP2C9*31外,所有导致酶活性降低的突 变等位基因都是单个非同义碱基变异。CYP2C9*2,*4,和*5在白人和黑人中频率较高,但在中国人中却极低或为零。CYP2C9*6在中国人中也不存在,CYP2C9*7-12的频率未知。CYP2C9*3是中国人中已知的主要突变等位基因,其频率2.1%~4.5%,低于白人4.3%~16.2%,但高于黑人0.6%~2.0%。CYP2C9*3 (1075A C)是一个错义突变,位于第7外显子,该突变导致氨基酸I359L的替换。携带CYP2C9*2和/或CYP2C9*3突变的患者华法林平均日剂量较低,出血风险较高。国际华法林遗传药理学学会在全球范围内进行的一项大规模、多中心的研究表明,以个体遗传学模式预测的华法林剂量较临床模式和固定剂量模式更准确。美国华盛顿大学医学院在1000例样本的数据基础上建立了一个华法林个体化剂量估算网站(http://warfarindosing.org),初次使用华法林的患者只要输入相关数据,即可得到预测的初始剂量,若按照该剂量服用3~4次后再输入检测的INR值,则预测结果会更准确。

(三)CYP2C19

CYP2C19负责代谢约10%的临床常用药物,包括质子泵抑制剂(奥美拉唑、兰索拉唑、泮托拉唑和雷贝拉唑),三环类抗抑郁药(丙米嗪、阿米替林和去甲替林),选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(西酞普兰、氟西汀、舍曲林、吗氯贝胺),苯二氮卓类(地西泮、氟硝西泮、夸西泮和氯巴占),巴比妥类(环己烯巴比妥、甲苯比妥和苯巴比妥),苯妥英,美芬妥英,硼替佐米,伏立康唑,司来吉兰,奈非那韦和氯吡格雷。 CYP2C19基因编码产生490个氨基酸的蛋白,其基因定位于10号染色体10q24.1-q24.3。CYP2C19主要表达在肝脏组织,但肠道尤其是十二指肠也有一定量的表达。目前CYP2C19基因已发现有24种变异(*1B to *25)和一系列亚变异。以S-美芬妥英为探药测定的CYP2C19酶活性有强代谢者(EMs)和弱代谢者(PMs)之分。弱代谢者的发生频率存在种族差异,亚洲人种发生频率是13%-23%,白人中发生频率是1%-8%,黑人中为1%-7.5%。PMs表型者最常见的三种 CYP2C19基因型是*2/*2、*3/*3和*2/*3。对于EMs表型者来说,常见的基因型是*1/*2 和 *1/*3, 以及野生型纯合子*1/*1。CYP2C19变异等位基因的分布也存在非常显著的种族差异。CYP2C19*2等位基因的频率在非裔美国人中的发生频率小于17%,中国人中的发生率为约30%,白人中小于15%。与非裔美国人(0.4%)和白人相比(0.04%), CYP2C19*3 在中国人中的发生频率要更高一些(5%)。CYP2C19*2是导致酶缺陷的主要突变等位基因,中国人和白人75%-85%PM表型是由其引起的。几乎所有亚种和非洲人群中的PMs表型可以归因于CYP2C19*2和/或CYP2C19*3。其它CYP2C19突变等位基因的分布也存在种族差异。CYP2C19*4和CYP2C19*5在中国人群中的发生频率非常低( 0.5%)。

CYP2C19基因多态性对酶活性的影响具有基因剂量效应,表现为野生型纯合子高于野生型杂合子,更高于突变等位基因纯合子。地西泮、去甲地西泮和舍曲林的代谢依赖于CYP2C19的基因型,并有显著差异。临床研究证明,奥美拉唑合用阿莫西林等抗生素治疗幽门螺旋杆菌感染性消化道溃疡患者与CYP2C19遗传多态性有关,PM和EM杂合子愈合率明显高于EM纯合子。大量关于埃索美拉唑的循证医学研究证实,凡携带PM型CYP2C19患者,无论是胃食管反流病治愈率,还是Hp清除率,均较携带EM型或IM型CYP2C19的患者显著为高。CYP2C19酶缺陷是否会加重临床药物毒副作用,目前尚不清楚。CYP2C19基因突变不仅影响CYP2C19酶活性,而且也影响CYP2C19的抑制和诱导。

(四)CYP2D6

CYP2D6在肝脏所有CYP酶中所占的比例小于2%,但有约25%经肝代谢的药物是通过CYP2D6来完成的。已知经其催化代谢的药物多达80余种,主要是作用于心血管和中枢神经系统的药物,这些药物中的多数具有比较窄的治疗指数。经CYP2D6广泛代谢的药物主要有三环类抗抑郁药(氯米帕明、丙米嗪、多塞平、地昔帕明和去甲替林),选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(氟西汀、氟伏沙明、帕罗西汀),非三环类抗抑郁药(托莫西汀、马普替林、米安色林、文拉法辛),精神安定药(氯丙嗪、奋乃静、硫利达嗪、佐替平、珠氯噻醇、米安色林、奥氮平、利培酮、舍吲哚和氟哌啶醇),α、β受体阻滞剂(阿替洛尔、丁呋洛尔、卡维地洛、美托洛尔、比索洛尔、普萘洛尔、布尼洛尔、布拉洛尔、噻吗洛尔和烯丙心胺)。 CYP2D6也广泛代谢阿片类药物(可待因、双氢可待因、曲马多),止吐药(托烷司琼、昂丹司琼、多拉司琼、甲氧氯普胺),抗组胺药(特非那定、奥沙米特、氯雷他定、阿司咪唑、依匹斯汀、异丙嗪、美喹他嗪、氮卓斯汀、苯海拉明、氯苯那敏),抗心律不齐药(司巴丁、普罗帕酮、恩卡尼、氟卡尼、西苯唑啉、阿普林定、利多卡因、普鲁卡因胺和美西律)。一些易滥用的药物如去氧麻黄碱、N-乙基-亚甲二氧基苯丙胺(MDE)和亚甲二氧基苯丙胺(MDA)也是由CYP2D6代谢。司巴丁和异喹胍是常用的测定CYP2D6表型的探针药。 CYP2D6活性差异非常大,人群中可区分为超快代谢者(UM),强代谢者(EM),中间代谢者(IM)和弱代谢者(PM)。与其它CYP酶不同之处是,CYP2D6不被诱导,所以酶表达和活性的个体差异很大一部分原因要归于基因变异,这通常也是达到最佳治疗浓度的一个障碍。主要经CYP2D6代谢的药物,EMs和PMs两类人群中药物的AUC和口服清除率(oral clearance)有非常大的差异。以右美沙芬和托特罗定为例,EMs的口服清除率分别是PMs的53倍和22倍。两者之间口服清除率中等程度差异(3.5-10倍)的有托莫西汀、普罗帕酮、地昔帕明和文拉法辛等。CYP2D6为非主要代谢途径的药物PMs和EMs之间口服清除率的差异小于2-3,如阿米替林。 编码CYP2D6的酶基因位于染色体22q13.1,有9个外显子,编码产生具有497个氨基酸的酶。目前已有约71个CYP2D6突变等位基因(*1B to *72)和一系列亚突变等位基因被发现。其中比较重要的有CYP2D6*2, *3, *4, *5, *10,*17和 *41,另外还有一些与PM表型相关的低发生频率的等位基因被确认。CYP2D6*2×N (N = 2, 3, 4, 5, or 13)携带者的酶活性非常高,是由于基因多拷贝重复,使酶的表达增多,这也是第一个发现的在人体稳定扩增放大的活性基因。约95%的欧美白人CYP2D6 PMs携带有CYP2D6*3, CYP2D6*4,CYP2D6*5和CYP2D6*6这4个等位基因中任意组合的两个拷贝。上述等位基因在中国人中很少见,因此PMs频率很低。51%的中国人具有CYP2D6*10B,其表达的酶蛋白活性低,且不稳定。因CYP2D6*10B在中国人群中频率高,虽不属于PMs,但酶活性较低属于IMs,故导致中国人CYP2D6活性较欧美白人低。

(五)CYP3A4

CYP3A4是肝脏中含量最丰富的酶(约40%),临床至少50%的药物是经其代谢。其底物特异性非常广,许多结构和分子量各异的药物都可经其代谢。CYP3A4基因定位于染色体7q22.1,有13个外显子和12个内含子。目前已发现有19个CYP3A4的突变等位基因和一系列亚变异基因(*1B- *20)。CYP3A4的基因多态性在白人中比在亚洲人中更普遍。CYP3A4的这些SNP中没有可以导致酶功能丧失或显著降低的突变。发生于基因编码区变异的频率大多小于5%,并且多以杂合子的形式出现。因此这些变异尽管有功能改变,但由于频率太低,功能改变十分有限,不太可能成为造成CYP3A依赖性的药物代谢清除的巨大个体差异的主要原因。CYP3A4*1B 是最常见的突变,导致了5′端侧翼区-392A G的改变,突变频率在中国人和日本人中为0,在美国黑人中为45%,美国白人的频率介于二者之间。

(六)CYP3A5

CYP3A5约占CYP3A总含量的7-8%,在成人中的表达存在多态性,它的功能仅在10-20%的白人、33%的东方人和55%的美国黑人中存在。CYP3A5基因位于染色体7q21-q22.1的一个簇中,含有13个外显子。CYP3A4和CYP3A5被认为具有相似的底物特异性,但CYP3A5对肝脏内CYP3A底物的总的代谢清除率的贡献目前还不清楚。 CYP3A5*2 含有一个27289C A SNP,导致5-10%的白人398位的氨基酸发生替换 (Thr398Asn)。CYP3A5*3包含有10个等位基因,从CYP*3A 到*3J,他们的共同点是在第3内含子区域都有一个6986A G SNP,其它参与*3不同亚型组合的SNP还有31611C T、3705C T、 31551T C和/或 31611C T等。CYP3A5*3纯合子突变的个体CYP3A5功能缺陷,源于该突变产生一个隐蔽剪接位点,从而导致内含子序列加入到成熟的mRNA中,使蛋白的合成提前终止。CYP3A5*5, CYP3A5*6和CYP3A5*7也可形成可变剪切,从而导致编码的提前结束或外显子的丢失,但发生频 率较低。CYP3A5*3突变导致酶功能缺陷的现象在白人,非裔美国人和亚种人中都很常见,但突变的发生率存在种族差异,非裔美国人中发生频率约50%,中国人中约为70%,白人中约为90%。该突变的显著意义在于使CYP3A5蛋白合成受阻,表达减少,酶活性下降。免疫抑制剂他克莫司主要在肝脏代谢,CYP3A5是其生物转化的主要代谢酶。CYP3A5*3 基因多态性与他克莫司的服用剂量密切相关。对含 CYP3A5*3 等位基因的患者在应用他克莫司时应较常规减少用药剂量并注意副作用的发生。而对CYP3A5 野生型的患者应适当增加服药次数以降低排异反应。CYP3A5作为最主要的表达于肝外的CYP3A酶,它的多态性表达可能与某些组织,如肺、肾、前列腺、和乳腺对内源性甾类和外源性物质的代谢有关。

二、II相代谢酶

II相代谢酶的生物转化是一种结合反应,主要包括葡萄苷酸、硫酸、甲基化、乙酰、谷胱甘肽和氨基酸的结合作用。II相代谢酶大部分都是转移酶,包括:UDP-葡糖醛酸基转移酶(UGTs), 磺基转移酶类 (SULTs), N-乙酰基转移酶类(NATs), 谷胱甘肽 S-转移酶 (GSTs)和各种甲基转移酶类如硫嘌呤甲基转移酶(TPMT)和儿茶酚氧位甲基转移酶(COMT))。 II相代谢酶在内源性和外源性物质的生物转化方面发挥着重要作用,通常情况下,经过生物转化后的物质比母体化合物亲水性更强。各种不同的II相酶在临床常用药物的生物转化中所占的比例如图1所示。II相酶所催化的代谢反应也具有个体差异,并且内源性(年龄、性别、疾病和基因)和外源性因素(吸烟、药物、营养和环境)也对II相酶产生一定的影响。

(一)UDP-葡糖醛酸基转移酶

人类UGT家族有4个成员,分别是UGT1、UGT2、UGT3和UGT8,最近有22个人类UGT蛋白被发现,其中UGT1A1、1A3、1A4、1A6、1A9、2B7和2B15是参与肝脏内代谢反应的主要UGT酶。 UGT1A7、 UGT1A8和UGT1A9主要表达在胃肠道,是参与肝外葡萄苷酸化反应的主要酶类。UGT1A1基因突变会导致遗传性非结合型高胆红素血症,包括Crigler—Najjar综合征I型、II型和Gilbert综合征,有50多种突变都会导致这种遗传性疾病的发生。此外,UGT1A1的基因突变也与抗肿瘤药物不良反应的发生相关。UGT1A1*28是UGT1A1基因上游TATA盒胸腺嘧啶一腺嘌呤(TA)重复序列的改变, 其产生的(TA)7重复序列即UGT1A1*28基因多态性(-54- -39A[TA]6TAA A[TA]7TAA 或 -40- -39insTA)可显著增加抗肿瘤药伊立替康使用者发生严重粒细胞减少、腹泻的风险。为此,美国FDA和制药公司在2005年修改了伊立替康的说明书,新的说明书中将UGT1A1*28突变纯合子基因型作为使用者发生严重粒细胞缺乏症的危险因素之一。不同种族这一突变的频率不同,白人的等位基因频率为36% ~40% ,非洲人为48% ,日本人为15%。大量的研究数据显示UGT1A1*28变异的重要性主要体现于白种人,而最近在亚洲人群中的研究发现导致UGT1A1低活性的UGT1A1*6变异对东亚人群是比较特异的。基于这些发现,日本也修改了伊立替康的说明书,将*28/*6对伊立替康药动学和毒性的影响包含了进去。

(二)N-乙酰基转移酶

乙酰化是芳香胺和杂环胺类物质代谢转化的重要步骤之一。发生在氧原子上的乙酰化作用所产生的乙酰氧基芳胺类或杂环胺类衍生物含有高反应活性的氮离子,极易与DNA结合形成DNA加合物,引起DNA突变,导致细胞癌变。而发生在氮原子上的乙酰化作用所产生的胺类衍生物通常是无毒性的。

人类NAT有两个同工酶,NAT1和NAT2,二者有87%的同源性。NAT1主要呈单态性,代谢氨基水杨酸和对氨基苯甲酸。NAT2则呈多态性,代谢异烟肼、磺胺二甲嘧啶和普鲁卡因胺等。这解释了为何异烟肼、磺胺二甲嘧啶和肼屈嗪等在人体内的乙酰化代谢呈多态性,而氨基水杨酸和对氨基苯甲酸的乙酰化代谢却呈单态分布这一长期困惑乙酰基转移酶表型研究中的问题。 NAT1和NAT2定位于人染色体8p21.1~23.1。NAT酶表型的多态性是由NAT2基因的多态性决定的。目前为止,已有36个NAT2等位基因和26个NAT1的等位基因被确认。构成NAT2单倍型的SNP主要来源于编码区的7个错义突变(G191A, T341C, A434C, G590A, A803G, A845C, and G857A)和5个沉默突变(T111C, C282T, C481T, C759T, and A803G)。NAT2野生型等位基因为NAT2*4,为快速乙酰化表型, G191A, T341C, A434C和/或 G590A突变等位基因与慢乙酰化表型有关。最常见的慢乙酰化等位基因都含有一个或一个以上上述突变,为NAT2*5, NAT2*6, NAT2*7,和 NAT2*14以及他们的亚型。NAT*12表现为快乙酰化,但NAT*12D由于有另外的突变位点而使乙酰化活性降低。

野生型等位基因的发生频率在非裔美国人和白人中为36%–41%,在亚洲人群中的发生率最高,中国人为50%,日本人中近70%,非洲加蓬的发生频率最低为6%。NAT2*5及其亚型在白人中最常见,亚洲人中比较少见。NAT2*6在各个种族之间的分布比较均衡,NAT2*7在亚洲人中比较常见。NAT2*14只在加蓬和非裔美国人中有发现,发生频率为8-9%,中国人中发生频率很低。野生型纯合子,快乙酰化者的发生频率的变化范围从白人中7%到韩国和日本人中的45%,中国人中的发生频率是是日本人中的一半。

(三)硫嘌呤甲基转移酶(TPMT)

硫嘌呤甲基转移酶是一种特异性催化杂环类和芳香类化台物巯基甲基化反应的细胞酶,对临床常用的硫嘌呤类药物,如6-巯基嘌呤(6-MP)、6-硫鸟嘌呤(6-TG)和硫唑嘌岭(AZA)的代谢过程和疔效发挥着关键作用。TPMT广泛存在于人的肝、肾、胃肠道、肺、脑、血细胞等各种组织中,其中在肝脏和肾脏中的活性最高。由于人体红细胞TPMT活性与肝、肾细胞中的TPMT活性有良好的相关性,故可用红细胞TPMT的活性来评估其它组织的酶活性。 编码TPMT的基因位于染色体6p22.3,由9个内含子和l0个外显子组成, 酶活性的降低或缺失与其等位基因的突变密切相关。TPMT活性在白种人和黑种人中呈二态或三态分布,89%的人TPMT活性高,11% 的人TPMT活性中等,而300个人中有1个人TPMT活性缺乏。中国人与白种人TPMT活性分布比较具有种族差异性,TPMT的活性在中国人群呈正态分布。 迄今为止已发现11种基因突变可引起TPMT酶活性的降低,这些基因分别被命名为TPMT*2~TPMT*10, 高TPMT活性的野生型等位基因被称为TPMT*1。对不同人种进行的研究发现,TMPT*2(G238C)、 TMPT*3A(G460A/A719G)、 TPMT*3B(G460A)和TPMT*3C(A719G)这4种突变类型最为常见。嘌呤类药物的疗效与毒性均与患者 体内的TPMT活性有关。由于TPMT具有遗传多态性,使不同个体对嘌呤类药物代谢具有很大差异。对于TPMT缺陷的病人,使用常规剂量的6-MP或AZA,也会导致体内代谢产物的积累,产生严重的毒性,如严重的骨髓抑制和肝损害等。

药物基因组学为临床医生和临床药师提供了很大程度上改善几百万患者药物治疗效果的机会。但是,这个机会的利用却受到阻碍和挑战,并且新的知识还在不断的更新。

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