遗传药理学多态性

一、概　述

遗传药理学多态性是一种孟德尔或单基因性状，由同一正常人群中的同一基因位点上具有多个等位基因引起，并由此导致药物和机体的相互反应出现多种表型，这多个等位基因中的任何一对等位基因决定的表型的发生频率应在1%以上。如果发生率低于1%，则称为罕见性状，由自发性突变引起。应当指出，把发生频率定在高于1%才能成为常见型或多态性是人为的。

表型是在环境影响下基因型所产生的机体的物理表现和可见性状，具有可见的表现或适合定量的生物学指标。就药物代谢酶而言，其在组织内存在的活性称功能性表型，通过测定应用探针药（酶的底物）后的血浆代谢产物浓度确定。如测定血浆或尿中咖啡因、异喹胍和美芬妥因的代谢产物分别确定CYP1A2、CYP2D6和CYP2C19的表型。

基因型是生物机体的遗传结构，是基因的总体，就某种表型而言，则是形成这种表型性状的遗传结构。表型是反映个体之间遗传药理学差异的最终结果，而基因型则是反应差异的根本原因。

人的基因位于成对的染色体上，因此每一种基因都有一对，故称等位基因。如果这一对等位基因均未发生碱基对的突变或缺失，则个体即为这一基因的野生型纯合子，因野生型等位基因均被定名为*1，故个体为*1/*1；如果个体有一个等位基因发生突变或缺失，则为杂合子，通常用*1/*2，*1/*3…*1/*n表示；若两个等位基因均发生突变，则为突变等位基因的纯合子，用所具有的两个突变等位基因如*2/*2或*2/*3等表示。

基因型和表型的关系是基因型编码表型。一般来说，具有两个野生型等位基因的个体所编码的蛋白质功能是正常的，具有两个突变等位基因所编码的蛋白功能是异常的，而具有一个突变等位基因的蛋白功能可能居于两者之间。但是，药物代谢或反应相关蛋白的基因型并不一定和临床表型相关，因为许多DNA变异是无效多态性，也就是说它们在人群中不产生“药理学”表型差异。例如，如果突变等位基因在人群中的频率是1%（DNA多态性），但仅在纯合子个体中引起的不同的药物反应，而这种纯合子表型仅有1/10 000，因此不符合与“临床性”遗传多态性。因此，遗传药理学多态性的定义应当包括基因型和表型频率。

遗传多态性在药物代谢方面或是药物效应方面的相关蛋白中非常普遍，因此成为遗传药理学领域中的重要研究内容。检测引起药物代谢或反应变异的遗传多态性的过程，由于人类基因组计划的实施而发生了根本的变化。在前基因组时代（1950—2000年），是先在临床工作中发现药物反应或代谢异常的个体，然后通过家系研究肯定确系遗传所致而确立表型多态性，再在不同表型人群中分析、比较发现其基因变异，即确立基因多态性。在后基因组时代，则更多的是先阐明候选基因（如参与候选药物代谢、转运、作用靶点的基因）的基因多态性，然后通过大样本人群研究，确立基因多态性和药物效应的关系。

二、药动学相关蛋白的遗传多态性

（一）药物转运蛋白

药物在体内通过细胞膜的主要转运方式是被动扩散，但药物转运蛋白在药物口服经肠道吸收、体内药物排泄入胆汁和尿内、药物向诸如心血管组织、肿瘤细胞等作用部位的分布等过程中的作用已日渐受到重视。

药物转运蛋白控制药物的吸收、分布和消除。P-糖蛋白（PGP）和多药耐药基因（MDR1）的蛋白产物都是能量依赖性溢出泵，使底物从细胞内溢出。PGP的表达是影响许多药物吸收的重要因素，也与一些抗癌药的耐药有关。在人类，P-糖蛋白和多药耐药基因具有多态性，野生型MDR1等位基因（MDR1*1）和突变型MDR1等位基因（MDR1*2）引起非索芬那定（fexofenadine）血药浓度差异，*1/*1个体的血浆AUC比*2/*2个体高40%，而*1/*2个体的AUC则居中，说明在具有突变等位基因*2的个体中PGP活性增高。MDR1*2在欧裔美国人中发生率为62%，而在非洲裔美国人中则仅为13%，表现了显著的种族差异，因此在不同种族中应用为PGP底物的药物时，需注意种族因素的影响。

（二）药物代谢酶

大多数药物代谢酶均产生有临床意义的遗传多态性，包括参与Ⅰ期代谢的CYP450超家族（CYP1A1/2、1B1、2A6、2B6、2C8、2C9、2C19、2D6、2E1、3A4/5/7）、乙醛脱氢酶（ALDH）、乙醇脱氢酶（ADH）、二氢嘧啶脱氢酶（DPD）、酯酶、环氧化物酶、多巴胺β羟化酶（DH）、超氧化物歧化酶（SOD）等。参与Ⅱ相代谢的N-乙酰基转移酶（NAT1/2）、谷胱甘肽转移酶A/M/T/P（GST-A、GST-M、GST-T、GST-P）、儿茶酚氧位甲基转移酶（COMT）、硫嘌呤甲基转移酶（TPMT）、组胺甲基转移酶（HMT）、尿苷三磷酸葡糖醛酸基转移酶（UGTs）、酚磺酰基转移酶（PST）等（表1-1）。

直到不久前，药物代谢酶多态性是以人群中个体之间的表型差异为线索而被发现的。但是，随着近来分子测序技术的飞速发展，遗传药理学性状的发现发生了巨大的改变。基因多态性，如单核苷酸多态性（SNPs），尤其是发生在基因调控区或编码区的单核苷酸多态性（cSNPs）则是首先通过分子生物学方法，然后再通过临床病人检验是否具有表型意义而被发现的。

药物代谢酶多态性的临床结果是引起作为其底物的药物的药理学作用延长、发生药物不良反应或不良反应增强、不能使前药代谢产生药理作用、药物有效剂量增加、药物经由其他代谢途径代谢率提高、加重药物相互反应。

表1-1　常见的药物代谢酶多态性

异喹胍氧化代谢酶CYP2D6是CYP450中的一种常见药物氧化代谢酶，它至少介导30多种药物的氧化代谢，其中很多是临床常用的抗心律失常药、抗糖尿病药和抗精神病药。现发现CYP2D6基因至少有48个核苷酸变异，这些变异形成53个CYP2D6的等位基因。这些变异有的导致多拷贝的CYP2D6，有的则导致CYP2D6酶的缺如，体现在表型上，前者产生“超快代谢者”，后者产生“慢代谢者”，在临床用药方面，如果应用常规剂量，超快代谢者将无效，慢代谢者则会毒性反应增强。在不同种族中PM的发生率显著不同，白人中的PM发生率在5%～10%，而其他种族多在1%～2%。CYP2D6基因突变导致的酶活性缺损影响为其底物的一些药物的治疗作用。

S-美芬妥因氧化酶CYP2C19多态性是遗传药理学中研究得较为深入的一种药物代谢酶多态性。人群因对其表型探药S-美芬妥因的代谢能力不同而被分为PM和EM，这种多态性是由编码S-美芬妥因氧化酶的基因CYP2C19多个SNP所引起的。迄今已经发现的CYP2C19基因变异有7种，为CYP2C19*2、*3、*4、*5、*6、*7、*8。其中CYP2C19*2 和 *3 最为常见，编码几乎100%的亚裔 85%白人人群中的PM。CYP2C19多态性也同样有显著的种族差异，白人中的PM发生率为2%～5%，而亚洲人中则为13%～23%。亚洲人中的PM发生率高是因为他们中的CYP2C19*2和CYP2C19*3等位基因频率高从而编码更多由突变等位基因纯合子基因型个体。中国是一个多民族的国家，不同民族具有不同的遗传背景，且长期生活在不同的自然环境中，长期有不同的饮食习惯、社会风俗等，他们的CYP2C19的PM发生率和突变等位基因的发生频率也有差异。如汉族的PM发生率就比侗族和傣族高，而CYP2C19*2等位基因在汉族和侗族中显著高于白族。

药物代谢酶对药物代谢的影响与基因型有关。野生型纯合子代谢药物的能力比野生型杂合子高，而后者又比突变等位基因纯合子高。如经CYP2C19代谢的地西泮、奥美拉唑等均如此。这种影响又可能导致其临床治疗效应的差异。如抗消化性溃疡药奥美拉唑在CYP2C19突变等位基因纯合子病人中的溃疡愈合率和幽门螺旋杆菌根除率最高，野生型等位基因纯合子最低，而野生型杂合子则居中。

（三）血浆药物结合蛋白

药物进入血液循环后，可不同程度地和血浆蛋白结合，只有未经结合的游离型药物才能通过血管壁分布到作用部位。对于血浆蛋白结合率高的药物，个体间未结合的游离型药物的比例差异很大。和药物结合的血浆蛋白可有遗传多态性特征，改变药物的血浆蛋白结合率，影响药物分布和作用时间及强度。α-酸性球蛋白（orosomucoid，ORM）是血浆内的一种重要药物结合蛋白，能和许多药物，特别是碱性药物结合。α-酸性球蛋白的基因多态性是引起药物血浆蛋白结合率个体差异的一个重要原因。α-酸性球蛋白由两个基因位点编码，它们是ORM1和ORM2，两者紧密关联，位于9号染色体（9q31和34.1）。在人群中ORM1位点有多态性，ORM2位点则呈单态分布。我国汉族的 ORM1表型是由3个具有共显性的常染色体等位基因决定的，即ORM1*F1、ORM1*F2 和 ORM1*S，它们共同作用，产生ORM1 F1、ORM1 S、ORM1 F1F2、ORM1 F1S 和ORM1 F2S等5种表型。ORM1的多态性使得一些药物在不同基因型个体的血浆蛋白结合率不同，如口服应用奎尼丁后，ORM1 F1表型个体未结合的奎尼丁血浆浓度比ORM1 S和 ORM1 F1S 个体高，导致游离型药物的百分率可为后者的两倍。因此在应用奎尼丁的时候，监测ORM1表型对血浆蛋白结合率的影响有利于奎尼丁安全、有效剂量的确定和不良反应的预防。

三、药效学相关蛋白的遗传多态性

大多数药物都是通过作用于靶蛋白而发挥药理学作用，如受体、酶，以及参与信号传递、细胞周期调控和其他细胞生物学过程的蛋白。许多编码这些与药物效应相关的蛋白的基因具有多态性特征（表1-2）。

（一）药物受体

许多药物受体表现基因多态性并影响药物的作用。如β受体的多态性改变β受体对激动药的敏感性而影响这类药在哮喘中的治疗作用。血管紧张素Ⅱ的1型（T1）受体基因多态性引起血管对血管收缩药去氧肾上腺素（phenylephrine）的反应性增强，也影响血管紧张素转化酶抑制药如perindopril和钙通道阻断药如nitrendipine的作用。磺酰脲类受体基因多态性影响非胰岛素依赖型糖尿病病人对璜酰脲类降糖药的反应性。5-羟色胺受体基因多态性改变神经安定药如氯氮平的治疗作用。

表1-2　药物受体及蛋白基因多态性及其临床效应举例

（二）离子通道

长Q-T综合征是一罕见现象，表现为心肌细胞除极后的复极延迟。其家系性质早在20世纪60年代就被发现。直到1991年后发现至少有5个基因与长Q-T综合征有关。LQT2（钾离子通道受体基因的突变型）的突变影响钾通道，而LQT3的突变（钠离子通道受体基因的变异）影响钠通道。虽然这两种突变引起同一症状，但其遗传学病因显著不同，因而治疗也就需要不同的药物。这一遗传药理学发现使得临床能针对性地根据病人的基因型选择补充钾或应用钾通道开放药治疗LQT1，而用钠通道阻滞药如mexilitene治疗LQT3。故在治疗这类病人时，进行基因型检查显然是需要的，这也为开发新药提供了新的启发。

（三）酶

与高脂血症发生紧密相关的HMG CoA还原酶是机体调节体内胆固醇稳态的重要枢纽，也是他汀类药物直接作用的靶酶，其基因序列具2个多态性变异：Alu序列相关的三核苷酸重复（TTA）n、启动子附近的HgiAI多态。有研究表明，（TTA）n重复次数和体内高LDL胆固醇血症具有显著的相关性。

（四）免疫分子

肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、人白细胞抗原（human leukocyte antigen，HLA）和主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）、趋化因子受体（chemokine receptor，CCR）、白细胞介素2（interleukin-2，IL-2）等免疫分子均具有基因多态性，影响机体的免疫功能和药物的作用。

TNF-alpha是一种促炎细胞因子，它与许多免疫调控性疾病的严重程度有关，包括自身免疫性疾病和器官移植。TNF-α基因位于6号染色体p21.3的MHC区内，TNF-α的遗传多态性，影响TNF的生成。例如TNF2等位基因导致TNF基因转录的速率远比野生型TNF1等位基因快，且与一些疾病的发生有关。TNF2等位基因发生频率高的人群易发生某些慢性代谢性疾病、慢性退化性疾病、炎性和自身免疫性疾病。

（五）其他药物相关蛋白

凝血因子V基因的突变（FV R506Q）发生在G1691→A，导致编码的精氨酸被谷氨酰胺替代，具有这种基因突变的个体发生血栓的可能性增加（血栓形成倾向），易发生深部静脉栓塞。单个FV基因的突变（FV R506Q，）与家族性血栓形成倾向有关联。其发生率在白人中高达6%，在非洲和亚洲人中发生率很低，几近0。口服避孕药有引起血栓形成的危险，对照研究证明服口服避孕药的人群，发生倾向是未服药女性的4倍，但在有FV基因突变的妇女中，服用避孕的妇女发生血栓的可能性提高到8倍。

胆固醇酯转运蛋白（CETP）分子量为64 000，基因长25kb，含16个外显子，位16号染色体。人CETP由493个氨基酸残基组成的单链多肽，其功能为致HDL合成的胆固醇酯（CE）向LDL转移，也使动脉壁CE增加，导致动脉粥样硬化。CETP基因多态性如Taq1B引起血浆CETP浓度改变，也影响酯转运活性和HDL血浆浓度。B1和B2分别为Taq1在内含子1限制酶切位点的有、无。应用普伐他汀40mg/d治疗2年，在B1B1中血管管腔进行性缩窄显著低于B2B2，安慰剂组（2年）情况与普伐他汀组相反。