第四讲遗传药理学与个性化用药

第四讲遗传药理学与个性化用药 敖英博士副教授武汉大学基础医学院药理学系

某些人群应用异烟肼后为什么易引起外周神经炎？某些人群应用异烟肼后为什么易引起外周神经炎？ • 琥珀胆碱的异常反应（呼吸肌麻痹甚至死亡）的发生机制是什么？ • 某些人群饮酒后更易出现酒精中毒，机制何在？ • 华法林剂量个体差异大的原因是什么？ • 氯吡格雷抵抗的发生机制？ • ……

第一节遗传药理学概述

定义遗传药理学(Pharmacogenetics，药物遗传学) 研究遗传因素对药物反应的影响，是药理学与遗传学相互渗透而发展起来的一门边缘学科。 • 任务从生物化学、药理学、遗传学和基因组学等多学科研究与药物反应有关的蛋白质和相关基因，阐明决定药物个体差异的根本机制。

发展简史 • 1957年Motusky首次用遗传学理论解释药理作用个体差异的家族性（蚕豆病、琥珀胆碱敏感、异烟肼神经炎） • 1959年Vogel首先创用pharmacogenetics一词 • 1962年Kalow所著第一本《遗传药理学》问世 • 1960~1990，药物代谢酶多态性成为遗传药理学发展的主体 • 2000年完成人类基因组序列的工作框架图 • 2002年公布国际人类基因组计划

研究内容 • 遗传因素在药物代谢和反应差异中得作用及机制（药物代谢酶、受体、药物转运蛋白） • 引起药物不良反应的遗传变异 • 查找药物新基因 • 阐明基因组中与药物相关的蛋白及编码基因 • 阐明与药物反应变异相关的候选基因 • 阐明药物反应蛋白和相关基因在疾病发生等方面的作用

研究方法 • 双生子研究测定同卵双生子和异卵双生子的药物浓度或药物反应, 评价遗传因素对药物反应差异的影响。通常用遗传力来表示。 • 家系调查和系谱分析大致确定遗传因素在药物不同表型差异中的主要作用及其遗传方式。 • 群体观察制作频率分布曲线图，初步判断是受单基因遗传变异或受多基因遗传变异的影响。(多峰不连续曲线or连续)

组织和细胞水平研究： • 提取CYP，建立体外药物代谢反应体系 • 催化效率、受体配体结合、酶的结合等 • 分子生物学研究：PCR、SSCP、PCR-DGGE等

基本概念 • 表型（phenotype）：是由基因型和环境因素共同作用导致生物体的可见性状。 • 基因型（genotype）：与形成这些性状有关的遗传结构。 • 二者的关系

等位基因(allele)：一对同源染色体的相同位置上控制着相对性状的一对基因。等位基因(allele)：一对同源染色体的相同位置上控制着相对性状的一对基因。 • 纯合子：是指同一位点 (locus) 上的两个等位基因相同的基因型个体,即遗传因子组成相同，如AA，aa 。 • 杂合子：是指同一位点上的两个等位基因不相同的基因型个体，如 Aa 。 • 野生型：指在野生群体中观察到的最高频率的表型，或具有这种表型的系统、生物和基因。 • 突变型：

遗传多态性（genetic polymorphism）：由于多个不同的等位基因作用出现两种或两种以上遗传决定的变异型或基因型，一般认为每种变异频率超过1%，则称为遗传多态性。 • 单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms, SNPs）： DNA上单一核苷酸不同造成的多态性。是个体的表型差异、不同群体和个体对疾病的易感性、对药物的反应变异的遗传基础之一。

单基因遗传：一对等位基因发生变异而影响药物的代谢或效应。“多峰”不连续曲线分布。家族性强单基因遗传：一对等位基因发生变异而影响药物的代谢或效应。“多峰”不连续曲线分布。家族性强 • 常染色体显性遗传：变异基因属于显性基因，患者基因常为杂合子，例如短指症； • 常染色体隐性遗传：变异基因属于隐性基因，只有在隐性基因纯合子（aa）才得以表现，在杂合状态时不表现相应性状，如白化病； • X连锁显性遗传：主要系指X染色体所携带的基因遗传。致病基因属于X染色体上的显性基因，女性获得显性基因概率比男性高一倍，如抗维生素D佝偻病； • X连锁隐性遗传：致病基因属于X染色体上的隐性基因，由于男性只有1条X染色体，Y染色体上缺乏同源阶段，所以男性发病率高于女性，如红绿色盲。

个体数 个体数 RR Rr rr 单基因 RR Rr rr 单基因对不同药物的各种反应方式

个体数 • 多基因遗传：遗传因子是多基因的，即由不同基因座上的许多基因所决定的药物代谢或效应。连续性变异，家族性不明显多基因

第二节遗传因素与药物反应 药动学吸收----转运体分布----转运体生物转化----药物代谢酶、药物代谢转移酶排泄----转运体药效学受体信号转导系统 2014/9/25

药物代谢酶遗传变异对药物反应的影响 药物转运蛋白对药物反应的影响药物靶标和受体对药物反应的影响 2014/9/25

药物代谢酶的基因多态性 • 药物代谢 • Ⅰ相反应：氧化、还原、水解药物代谢酶（CYP） • Ⅱ相反应：结合药物代谢转移酶（ N-乙酰基转移酶；N-甲基转移酶等）

CYP命名规则 CYP 数字（1）A 数字（1）细胞色素P450 家族亚族同功酶 CYP1A2 CYP2C9 CYP2C19 CYP2D6 CYP3A • 氨基酸同源性大于40%的称为同一族，如CYP2； • 氨基酸同源性至少大于55%以上者为同一亚族，如CYP2D； • 每一亚族中的单个P450酶则是在表达式后再加上一阿拉伯数字，如 CYP2D6。

非那西丁 他克林氟伏沙明抑制剂诱导剂底物咖啡因氟喹诺酮吸烟氨茶碱环丙沙星罗派卡因奥美拉唑依诺沙星氯氮平前致癌物 1. 细胞色素P4501A2（CYP1A2）

CYPlA2基因具有遗传多态性。 现已发现15种突变等位基因，4种有功能意义，其中CYPlA2*1F可使CYPlA2诱导性增强，中国人群发生率为0.67%。其他均导致CYPlA2活性降低。 CYPlA2活性增强可能是结肠癌、膀胱癌和肺癌的危险因素。(杂环胺、黄曲霉毒素) CYPlA2的C734A基因多态性使CYPlA2活性减弱，可能与抗精神病药物所导致的迟发性运动功能障碍有关。

CYP2C家族主要成员，占肝微粒体P450总量的20%。 催化约12%的临床常用药物，如：华法林、苯妥英、氯沙坦、依贝沙坦、甲苯磺丁脲及各种非甾体类抗炎药。部分激素和内源性物质也是CYP2C9的底物，如孕酮、睾酮、花生四烯酸和亚油酸等。参与一些前药(环磷酰胺)及前致癌物质的激活。 CYP2C9的诱导剂有利福平等，抑制剂有磺胺、双香豆素、氯霉素、西咪替丁等。 2. 细胞色素P4502C9（CYP2C9）

基因多态性，研究最多的为CYP2C9*2~*6 CYP2C9遗传多态性有种族差异。 CYP2C9*2、*4、*5在白人和黑人中频率高，中国人极低。 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％。CYP2C9*2在东方人极为罕见。二者酶活性降低5%-12%。与药物代谢的关系口服降糖药：CYP2C9*3纯合子个体对甲苯磺丁脲和格列本脲、格列美脲的体内口服清除率交正常人低80%，半衰期延长3-4倍。（低血糖风险）华法林：CYP2C9活性是造成法华林疗效差异的重要原因。CYP2C9*3纯合子对S-华法林的代谢率低于CYP2C9的野生型。（出血危险性）

CYP2C19代谢的药物有普萘洛尔、丙米嗪、美酚妥因、奥美拉唑、甲苯磺丁脲等。CYP2C19代谢的药物有普萘洛尔、丙米嗪、美酚妥因、奥美拉唑、甲苯磺丁脲等。 CYP2C19催化作用呈底物剂量依赖性和基因剂量效应。根据CYP2C19酶活性的大小，人群有强代谢型（EMs）、中等代谢型（IMs）、和弱代谢型（PMs）之分。 3. 细胞色素P4502C19（CYP2C19）

表2 不同种族人群中S-美芬妥英羟化代谢缺陷的频发率 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 种族人群弱代谢者频发率(%) ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 白种人瑞士人 221 5.4 瑞典人 253 2.8 美国人 303 3.6 加拿大人 118 4.2 法国人 132 6.1 丹麦人 358 2.5 东方人中国人 269 14.7 日本人 331 21.3 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

PM表型符合常染色体隐性遗传特点，野生型纯合子＞野生型杂合子＞突变型纯合子。PM表型符合常染色体隐性遗传特点，野生型纯合子＞野生型杂合子＞突变型纯合子。 • CYP2C19至少存在25种突变基因，10种与活性降低有关。 • CYP2C19*2和CYP2C19*3：主要的CYP2C19弱代谢突变型，亚洲人群频率为30%和5%。 • CYP2C19*17是超强代谢的原因之一，亚洲人群频率为4%。

与药物代谢的关系 • 氯吡格雷 • 抗血小板药，与阿司匹林联用可降低急性冠脉综合征的死亡和复发。 • 个体差异大， 25%的患者对其无反应。（氯吡格雷抵抗） • 氯吡格雷活性代谢产物抗血小板 • CYP2C19*2携带者口服氯吡格雷活性代谢产物明显低于野生型。（氯吡格雷抵抗） • 奥美拉唑 • 二联疗法（奥美拉唑+阿莫西林）治疗幽门螺杆菌感染性消化道溃疡 • 根治率与CYP2C19遗传多态性有关 • PM和EM杂合子治愈率高于EM纯合子 CYP2C19

4. 细胞色素P4502D6(CYP2D6) 占肝脏中总CYP450的1%-2%，代谢80余种药物，如：β受体阻滞剂、抗心律失常药、抗高血压药、抗精神病药等等。人群分为超快代谢型（UM）、强代谢型(EM)、中代谢型(IM)、弱代谢型(PM)。 CYP2D6多态性表型在中国人中的发生频率低，但EM中CYP2D6活性较欧美白人低。 2014/9/25 27

与药物代谢的关系 异喹胍：降压药经CYP2D6氧化代谢生成4-羟异喹胍经尿排泄，异喹胍的氧化代谢在人群呈现多态分布。 PM为常染色体隐性遗传。 PM---直立性低血压；UM---增大剂量他莫西芬：非固醇类抗雌激素药物用于雌激素受体阳性的乳腺癌患者的预防和治疗 10%药物经CYP2D6代谢活化 PM导致疗效下降 2014/9/25 28

表1 不同种族和民族的异喹胍羟化代谢缺陷频发率 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 种族/民族人群弱代谢者/强代谢者缺陷频发率(%) ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 英国人 90 7/83 7.7 瑞典人 1011 69/942 6.82 中国人 812 10/802 1.23 汉族 505 6/499 1.20 蒙族 124 1/124 0.81 壮族 117 117 0 维吾尔族 158 1/157 0.63 藏族 132 2/130 1.52 日本人 100 0/100 0 埃及人 72 1/71 1.04 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

去甲替林：三环类抗抑郁药

与疾病的关系 • CYP2D6强代谢者易发生肺癌、肝癌、胃肠癌等。 • 机制：CYP2D6与肿瘤发生基因连锁，其表达利于肿瘤发生。 • 华人EM高达99%，肺癌发生率高。 • 弱代谢者易发生红斑狼疮和帕金森病。

5. 细胞色素P4503A(CYP3A) • 占肝脏CYP总量的30%，代谢50%的临床常用药，也参与一些内源性物质的代谢和前致癌物的激活。 • 表型存在个体差异，受多因素影响 • 疾病易感性 • CYP3A活性高的个体乳腺癌风险高于低活性个体 • CYP3A4野生型比突变型个体对于化疗药物（表鬼臼毒素等）所致的白血病有更高发生率

CYP3A4基因有30多种多态性，但对功能改变不大。CYP3A4基因有30多种多态性，但对功能改变不大。 • CYP3A5表达在人群中呈多态分布，其功能仅在33%东方人中存在 • CYP3A5*3使活性降低 • 与药物代谢之间的关系 • 环孢素、他克莫司 • 免疫抑制剂，器官移植术后的一线用药 • 治疗指数窄，个体间药动学差异大 • 所需剂量在CYP3A5*1/*1和*1/*3中高于*3/*3， CYP3A5*1携带者调整到目标浓度所需时间更长，急性移植排斥反应的发生率更高

药物代谢转移酶的基因多态性

1. N-乙酰基转移酶(NAT)2基因多态性 • NAT1：代谢氨基水杨酸和对氨基苯甲酸 • NAT2：代谢异烟肼、磺胺二甲嘧啶等，具有基因多态性。 • 乙酰化代谢多态性主要与NAT2基因变异有关。 • 乙酰化代谢为三态代谢。快慢乙酰化代谢发生率有明显种族差异。 • 慢乙酰化代谢者：东方人群10-30%，西方人群40-70%。

异烟肼引起的外周神经炎 36 异烟肼主要经乙酰化代谢降解，催化该反应的是肝内胞浆酶－N-乙酰转移酶(NATs)。药物乙酰化能力在人群中表现出遗传多态性，分慢、中、快代谢者。慢乙酰化者：常染色体，纯合子，隐性性状；快乙酰化者：杂合子或纯合子，显性性状。

NAT 异烟肼 + CH3CO~SCoA 乙酰化异烟肼 + HSCoA 在肝脏中在体内 VitB6发生反应，是VitB6失活，从而导致VitB6 缺乏引起得神经损害。异烟酸 + 乙酰肼对肝脏有毒害，可以导致肝坏死异烟肼灭活过程

38 • 异烟肼治疗结核时： • 快乙酰化者异烟肼血浆浓度低， • 较难治疗, 复发率高，痰菌消失慢易出现耐异烟肼菌株； • 可引起肝炎，与代谢产物乙酰肼有关。快乙酰化者体内，异烟肼大量生成活性代谢产物乙酰肼（可致肝坏死）； • 慢乙酰化者形成较高的血药浓度， • 药理作用增强易发生外周神经炎，与异烟肼促进VitB6排泄有关。 • 需注意NAT2缺陷者对诸如异烟肼、普鲁卡因胺、苯肼哒嗪、磺胺类和硝西泮等氧化性药物的不良反应。

表3 不同乙酰化表型患者在药物治疗过程中可能产生的后果 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 药物遗传表型临床效应 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 异烟肼慢乙酰化发生多发性周围神经炎；和苯妥英钠等药合用易引起苯妥英不良反应快乙酰化治疗结核一周用药1 ~ 2次时，疗效降低有肝脏毒性，特别是与利福平合用时肼屈嗪慢乙酰化易产生抗核抗体和引起红斑狼疮综合征快乙酰化需大剂量才能维持稳态浓度普鲁卡因胺慢乙酰化易产生抗核抗体和引起红斑狼疮综合征快乙酰化需增加药物剂量才能控制高血压氨苯砜慢乙酰化易发生血液系统不良反应和G-6-PD缺陷发生率增高快乙酰化需应用大剂量才能控制皮炎性庖疹氯硝西泮慢乙酰化出现停药反应，戒断现象——惊厥快乙酰化可突破性发作 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

乙酰化表型和某些自发性疾病的发生有密切关系：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，膀胱癌发病率比随机人群高30%。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，使到达膀胱的芳香胺物质增多。膀胱粘膜乙酰化酶也具多态性，所以慢乙酰化者不能代谢到达膀胱的芳香胺类物质。快乙酰化者易致结肠癌，直肠癌。因为，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）活性较低，但结肠的两者活性都很高。所以，能通过OAT的作用活化羟基芳香胺类，而致癌。

2. 组胺甲基转移酶(HNMT)基因多态性 • 催化组胺和其他类似结构杂环化合物的N-甲基化代谢 • 广泛表达于肝脏、脑、肾、肺等组织和细胞 • 具有家族聚集性 • 中国汉族人群中青年男性酶活性高于青年女性，成年人高于儿童 • C314T是中国汉族人群中的常见突变，但发生率低（0.06%）。T314纯合子的活性降低 • HNMT活性改变与哮喘、唐氏综合症等疾病的发生有关 • 增加哮喘病的风险，降低高血压的风险 • HNMT底物尚未用于临床

琥珀胆碱的异常反应 42 琥珀胆碱 ( succinylcholine , suxamethonium ) 是一种肌肉松弛剂，早期作为外科醉品使用，不仅可以使骨骼肌松弛，而且可以使呼吸肌短暂麻痹。一般人在使用琥珀胆碱时，骨骼肌松驰，呼吸肌麻痹而致呼吸暂停仅2 min～3 min，然后即恢复正常。少数患者用药后呼吸停止可持续一小时以上，如不及时行人工呼吸，可导致死亡。这种个体称为琥珀胆碱“敏感性”（succinylcholine sensitivity）。

基因 CH2-COOH-胆碱 CH2-COOH CH2-COOH 伪胆碱酯酶 CH2-COOH-胆碱 CH2-COOH-胆碱 CH2-COOH ＋胆碱琥珀酰胆碱 (有活性）琥珀酰单胆碱（无活性）琥珀酸呼吸暂停延长机理：基因突变→血中伪胆碱酯酶活性↓→琥珀酰胆碱降解速度↓→作用时间↑→引起持续的呼吸肌麻痹。（Eu、Ea、Es、Ef ）

遗传学：琥珀酰胆碱敏感性为常染色体隐性遗传，基因全长80kb，定位于3q26.1-q26.2。已检出若干种变异型。遗传学：琥珀酰胆碱敏感性为常染色体隐性遗传，基因全长80kb，定位于3q26.1-q26.2。已检出若干种变异型。胆碱酯酶变异型名称基因型酶活性/% 反应时间发生率典型E1u E1u 60~125 正常96/100非典型E1a E1a <35 延长1/3500沉默型E1sE1s 0 延长~1/10万耐氧化物型E1fE1f 55 不延长~1/15万 K变异型E1kE1k 66 不延长1/100

乙醇脱氢酶(ADH)和乙醛脱氢酶(ALDH)遗传多态性 45

机理： （1）乙醇脱氢酶（ADH）是二聚体，由3种亚单位α、β和γ组成。 α、β、γ三种肽链的二聚体形成三种同工酶，分别由ADH1、ADH2和ADH3基因编码。编码ADH三种同工酶的基因簇位于4q22,在不同组织和不同发育时期差异表达。ADH1编码α链,主要在胎儿早期肝内有活性;ADH3编码γ链,在胎儿和新生儿肠和肾有活性;ADH2编码β链 ,在胎儿及成人肺和肝内有活性。

ADH2具有多态性 大多数白种人ADH12由β1β1组成， 90%的黄种人ADH22由β2β2组成。 β2和β1肽链中只有一个氨基酸不同（47位胱氨酸→组氨酸），但β2β2酶活性约为β1β1酶活性的100倍。大多数白种人饮酒后产生乙醛较慢，黄种人则蓄积乙醛速度较快，易出现酒精中毒症状。

（2）乙醛脱氢酶（ALDH） 有2种同工酶： ALDH1 ，9q ALDH2, 12q 酶活性: ALDH2 >ALDH1 白种人有ALDH1和ALDH2两种同工酶，黄种人中约50%的人仅有ALDH1而无ALDH2，因此氧化乙醛的速度比较慢,多数黄种人较白种人对酒精耐受性低.

不同个体和种族对乙醇反应和代谢存在明显的差异不同个体和种族对乙醇反应和代谢存在明显的差异

吸烟与肺癌 吸烟者是否患肺癌与个体的遗传基础可能有关。烟中含有致癌的多环苯蒽化合物,但致癌性较弱,进入机体后通过细胞微粒体中芳烃羟化酶(aryl hydrocarbon hydroxylase, AHH)的作用可转变为具有较高致癌活性的致癌氧化物,从而促进癌的发生。芳烃羟化酶 ( AHH ) 多环苯蒽化合物环氧化物（烟草中）（较高的致癌活性）

第四讲 遗传药理学与个性化用药