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第六节
利用基因组关联分析预测药物有效性与安全性 Section 6
Prediction of Drug Efficacy and Safety Associated with Genome 一、影响药效与药物安全的分子机制概述 药物的有效性直接取决于其在所需部位的有效浓度及维持时间、靶点结构和稳态水平等因素。药物在所需部位的有效浓度及维持时间受到药物代谢动力学特征的影响，大分子靶点的结构和稳态水平主要受到靶点对应的基因结构及其表达水平的影响。对作用于人体自身大分子靶点的药物而言，其在所需部位的有效浓度及维持时间取决于人体药物代谢酶和转运载体作用；对作用于病原菌的药物而言，其在所需部位的有效浓度及维持时间除了受到人体药物代谢酶影响外，同时还受到病原菌的代谢酶和转运载体作用。 人体自身蛋白质等靶点的精细结构受到其基因编码区SNP的影响，而这种精细结构差异会影响药物的有效性；患者药物代谢酶系和转运载体的功能域也存在由于SNP等造成的精细结构和功能的差异，而这种精细结构和功能的差异也会影响药物的局部稳态浓度。病原微生物基因变异快，药物对变异靶点作用效力不同，故抗感染药物的有效性一直是药物研究关注的焦点。分析病原微生物的基因组信息推断预期药物的有效性，是从生物信息学的角度保障抗感染药物有效性的重要措施。因此，利用人体及病原微生物基因组中靶点、药物代谢与转运载体关联的信息可预测药物的有效性。 药物安全性主要取决于药物在体内的分布、药物对靶点的选择性(理想情况是仅作用于预期的靶点)、靶点的分布特征、药物体内代谢及代谢产物的生理活性等因素，这些因素都受到对应的基因SNP状态及其表达水平等的影响。基于药物和药物代谢酶系的三维结构特征，可预测药物代谢干扰和潜在的用药安全性隐患。 二、药物有效性与安全性的生物标记 决定药物有效性的主要因素是靶点自身的结构、控制药物的局部有效浓度的药物分布、代谢、排泄等因素。因此，伴随个体差异出现的靶点和人体药物代谢相关基因的SNP状态，是药物有效性和安全性的主要生物标记；对于病原微生物而言，其靶点基因结构也肯定是药物有效性的重要标记。 目前设计的药物通常有预期的作用靶点，在明确这些药物在体内的代谢、分布、排泄及毒性的机制后，与药物有效性和安全性相关的这些蛋白基因内的SNP现象是最有价值的生物标记。这些药物靶点和药物代谢、分布、排泄等相关基因中的SNP位点，要么位于该基因转录的调控区，要么位于调节转录后RNA拼接与剪接等相关的内含子区域，要么位于编码区直接影响编码蛋白的氨基酸序列和功能。所以，分析这些SNP位点与药物有效性差异和毒副作用的关联程度，是识别这些与药物有效性与安全性相关的生物标记的有效策略。发现并确认这些关联的SNP，也是建立个性化用药治疗方案的关键策略，这也是当前药物基因组学研究的重要方向。对来自群体的大量数据，各种可靠的关联分析技术都可用于发掘影响药物有效性和安全性的SNP。 另一方面，对抗微生物药物而言，其有效性还需考虑靶点属于人体还是病原微生物。对于属于病原微生物的靶点而言，其靶点编码基因通常变异大，其靶点的结构变化会导致药物有效性出现很大差异。通常在药物筛选压力下，靶点变异后能耐受的病原微生物株会成为优势株。通常病原微生物靶点的基因结构没有内含子，其基因突变主要在其编码蛋白的结构改变。影响抗病原微生物药物有效性的生物标记，除了来自人体的药物代谢体系的关键蛋白，药物作用靶点的基因结构差异也是重要的生物标记。这类生物标记容易从耐药株中通过测序而获得。如果具有靶点的三维模型，则可从编码基因的改变预测编码蛋白的改变和对应药物有效性的改变。 三、案例分析 费城染色体阳性的慢性髓系白血病中Bcr/Abl激酶是属于Ser/Thr蛋白激酶，是慢性髓系白血病的治疗靶点，其选择性抑制剂伊马替尼(imatinib)是比较理想的抗肿瘤药物。然而Bcr/Abl激酶存在变异，其第315位的活性区域保守残基Thr可突变成异亮氨酸，使imatinib的抑制作用显著降低而该蛋白激酶仍然有活性，对应的imatinib治疗效果明显降低，图17-11(A)。基于此现象分析Bcr/Abl激酶的抑制剂结合区域中与imatinib结合的氨基酸残基，图17-11(B)，有理由预期当这些与imatinib接触的残基发生不利于imatinib结合的突变后，imatinib治疗效果也会明显降低，而这些数据可来自Bcr/Abl激酶基因编码区全序列或这些潜在影响位点的SNP等信息。 图17-11 Bcr/Abl的结构模型和其与imatinib接触的残基 A. 复合物中与imatinib接触的315位苏氨酸；B.复合物中其他其他与imatinib接触的残基 多药耐药基因MDR1(multiple drug resistance 1，MDR1)编码P-糖蛋白，其在肠、血-脑屏障、血-睾丸屏障、肝等都有表达，是将很多药物(HIV 蛋白酶抑制剂、肾上腺素受体的拮抗剂及多种细胞毒性抗癌药等)转运出细胞的重要膜转运蛋白，也是决定这些药物有效性的关键所在。MDR1存在广泛的多态性，其中C3435T位于不稳定的外显子，TT纯合型MDR1基因是沉默突变，发生率约8%，其对应P-糖蛋白的功能缺失而使胞内原来由该蛋白转运的药物有效浓度很高。地高辛是P-糖蛋白的底物，但地高辛在体内难以被代谢而主要靠P-糖蛋白将其排除细胞外；TT纯合型MDR1基因导致地高辛在细胞内浓度很高而容易产生毒性。因此，分析MDR1基因的多态性和耐药性、药物超敏感性、药物代谢相互干扰的关联，是预测药物有效性，尤其是安全性的重要信息来源。 | 
发表于 2011-1-21 02:55:07