药物基因组学、药物蛋白质组学与现代药物研究

1基因组学与药物遗传学

人类基因组计划的顺利实施，真正成为生命科学领域第一项巨大的科学工程，催生孕育了基因组学的诞生。基因组学知识的迅速拓展，已涉及到新药的研制和随后的临床应用领域。对于许多药物来说，它们的疗效和毒性存在很大的个体差异，因此需要测定这些变化的遗传基础以及按照他们的基因型进行治疗。遗传因素对于药物作用的影响可导致药动学（如吸收、分布、代谢、排泄）或药效学的差异性，或者在某些情况下，根据遗传因素的差异划分疾病的亚型。基因型影响药动学已有P450等位基因的差异对于药物代谢的影响得到证实。人们已通过严格定义的多态性来鉴定等位基因编码的酶，如P4502D6和P4502Cl9，业已建立的表型试验已用于测定这些多态性，基因型实验已能够预测在个体中这些酶何时处于药物代谢的低水平状态。人们已经能够常规地应用不同的P450基因型评价新药在临床试验中的疗效，这代表着以P450基因型为基础的个体化治疗的第一步。

由于药物结合位点微妙构造的变化，就药物靶与药物作用的敏感性而言，药物作用的药效学受遗传差异的影响。药物的细胞攫取和排出，甚至药物靶的精确的生理功能也存在着个体差异。药物结合位点的遗传差异影响药物疗效的一个新例子是支气管扩张药沙丁醇胺（salbutamol，舒喘灵）。舒喘灵的作用靶是β－2－肾上腺素能受体（beta-2-adrenergic receptor），该药物作为激动剂发挥作用。人们在研究了269位哮喘儿童后发现，β－2－肾上腺素能受体上第16位氨基酸甘氨酸或精氨酸的变化与舒喘灵疗效的差异相关。舒喘灵对精氨酸纯合子（homozygous，在一定位点上具有一对相同等位基因）个体比对甘氨酸纯合子个体的作用强5倍。很明显，舒喘灵对哮喘的治疗作用依赖于药物靶和基因型的精细结构。

在单因素疾病发病机制研究中发现，微妙的遗传学上的改变导致了药物作用的变化，但这一变化与基础药动学和药效学无关。应用HMGCoA还原酶抑制剂普伐他丁治疗冠状动脉粥样硬化的最新研究很能说明这一问题。在这一研究中，筛选出807位病人具有编码胆甾烯脂转移蛋白（CFTP，）的两个等位基因，该蛋白对高密度脂蛋白（HDL）胆固醇的代谢起关键作用。病人分成两组，一组给予普伐他丁，另一组给予安慰剂治疗2年。在服用安慰剂的一组中，发现两个CETP等位基因中的一个与动脉粥样硬化的发展有密切关系。服用普伐他丁的一组没有发现遗传水平的变化，普伐他丁对服用安慰剂一组的病人动脉粥样硬化没有任何作用，这一发现使得通过基因型预测哪些病人能够使用普伐他丁治疗。随着研究的深入，可以认为，不同的基因型和不同的疾病过程具有相关性，因此可以对许多重大的疾病进一步分类。

哮喘病人的发病机制涉及到脂肪氧合酶（5-1ipoxygenase，ALOX5）途径，AIDX5途径的产物白细胞三烯与哮喘表型的表达有关，针对哮喘病人ALOX5途径的治疗失败表明，在这些病人中白细胞三烯不是哮喘表型表达的关键因素，在染色体10q11．2上，ALOX5基因的核心启动子的DNA序列家属改变与组织培养中启动子受体活性的减小有关，因为它们是 AIOX5表达与转录的调控部分。因此，核心启动子DNA序列家属改变的病人降低了基因的转录，进而减少了AIOX5产物白细胞三烯的产生，降低了药物作用于此途径的疗效。

药物遗传学对新药研究和临床应用将产生巨大的影响，在药物研究中，根据基因型对病人分类，可以获得良好的治疗效果。由于疗效影响到临床研究的规模，良好的治疗效果能够更快速，小规模地完成临床试验。如此小规模的顺利研究将取得与大样本量少量有效、大量无效实验等同的效果。

基于遗传水平的疾病亚型和相应的不同治疗效果，来划分病人的群体，以达到合理的、可预测的治疗结果将取代现行的药理学临床试验方法，尤其像高血脂症、骨质疏松症这样需数月或数年治疗才能见效的疾病。这些疾病的遗传水平上的分类，是药物临床试验研究的重要方向。

2 药物基因组学

面对基因型特异性治疗的成功，有必要按照基因型特异性疗效重新分类现有的药物，有必要证明足够数量的等位基因的差别，以及这些差别在人群的比例。寻找所有这些遗传水平上的差别在药物研究以及治疗学上的意义，该研究被称为药物基因组学。

药物基因组学的定义还不够确切，直到最近这一新领域的定义大体上接近药物遗传学，一些高通量的技术被用来测定药物应答的基因型标志。现在，药物基因组学的大致含义包括：药物效应的基因型预测和基因组学在医药工业上的应用，在分子水平证明和阐述药物疗效，药物作用的靶位、作用模式和毒副作用。

在药物基因组学研究中，大规模地确定治疗意义上的多态性不是基于完整基因的世代结构图，而是基于基因组的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms,SNPs）等遗传标志。单核苷酸多态性作为基因组的标志之一，与疾病和药效的变化相关联。这一方法成功的关键在于建立足够密度遗传标志的结构图。例如，如果整个基因组上确定了6万个单核昔酸多态性标志，这意味着平均每5万个碱基对就有这样一个标志，这样一个密度的单核昔酸多态性还不足以确定所有的有治疗意义的基因。然而，随着DNA标志发现速度越来越快，并与以计算机技术为基础的现代手段相结合，能够建立与基因型相关的治疗方案并根据疗效和安全指数对病人分类治疗。

单核苷酸多态性能够确定人类基因组的序列变化，将改变疾病和药物的遗传特性实验。与高血压和正常血压有关的75个候选基因的单核苛酸多态性的频率、模式、性质分子水平的系统分析和比较表明，在148个等位基因中，由5’和3’端非翻译区段（untramslated regions,UTRs），内含子，编码序列组成的190kb基因组序列，不同的病人中这些序列是不同的。在确定的75个候选基因的874个单核苷酸多态性中，150个位于内含子，占17％；337个（39％）位于5’和3’端非翻译区段；387个位于编码区序列，其中，178个导致了沉默突变，209个导致了表达蛋白质中氨基酸残基的替代，从而对这些蛋白的功能产生影响。这些关于个体差异模式的数据，将为高血压新的治疗研究提供依据。

药物基因组学提供了一系列的全新的药物效应基因（drug-response gene）。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，也是药物基因组学的研究关键所在，是确定病人如何产生药物疗效、疾病亚型分类的依据、毒副作用的基础。这些基因大致上可分为三大类。第一类，编码一系列肝脏酶，它们与药物的代谢有关，被称为细胞色素p或CYP酶，这很容易理解这些基因是如何影响病人对药物的作用。第二类，药物效应基因是和疾病本身联系的，很明显这一组遗传成分引起了疾病，而这些疾病的分类似乎逐步增加。第三类，药物效应基因是基因的表达产物蛋白质，它们既不和疾病本身也不和药物代谢相关，而是在病人服用药物的过程中引起副作用。

据1996年对治疗药物相关靶的广泛分析，药物作用的分子靶约为500个，其中细胞膜受体，大多为与G蛋白偶联的受体，占总靶位的45％，酶占全部药物作用靶位的28％。英国遗传学家Sewall Wright的早期研究工作表明，在多因素疾病中起作用的基因数量并不多，最近的研究估计，每一种疾病的相关基因的数目在5～10之间。根据多因素疾病的盛行和严重程度以及当今工业社会引发的那些疾病来看，这个数字在100～150之间。那么与疾病相关的基因可达到500～100个。并非每个“致病基因”都能独立地成为药物作用的靶，而且其功能可与那些在生理或病理过程中起信号传导和调控的其它蛋白相关联，因此这些可作为药物作用的靶位蛋白可能是致病基因的5～10倍，那么潜在的药物作用靶就有5000～10000个，换句话说，至少10倍于目前的分子靶位可被开发用于药物治疗。

药物基因组学开辟了医药工业研究的新领域，首先药品制造商不仅把注意力放在可能引起疾病的基因上，而且对药物效应基因产生了兴趣，这些药物效应基因为新药研究提供依据。其次为靶向药物的研究提供了新的内容，一方面医生使用遗传学试验来评估适当的药物用于合适的病人，抛弃低效、不良反应大的药物，使药物发挥最好的疗效。另一方面，挽救那些“有问题”的药物，这些药物往往是疗效或副作用个体差异较大的药物。这些药物中一个经常引用的例子是第一个非典型性抗精神活性药氯氮平（clozapine），在氯氮平的使用过程中，由于1％的病人服药后出现严重的粒细胞缺乏症，因而只有当其它药物使用后无效才使用。但是在粒细胞缺乏症的药物效应基因被确定后，极大地改善了氯氮平的使用，除极少数敏感的病人不能服用此药外，对于99％的病人来说，这一药物是一线治疗药物。第三是在药物开发实际过程中的应用，从Ⅰ期临床试验开始，临床试验的对象应该被划分为不同的基固型，根据试验数据和结果，在进入Ⅲ期临床试验时，就确切地知道，这些药物适合哪些病人，或选择哪些病人作为试验对象，同时也意味着，这些药物一旦进入市场，将获得多少目标市场份额。药物代谢酶的遗传多态性是药物发挥疗效时引发的个体差异重要的因素。硫嘌吟S－甲基转移酶（thropurine S-methyltransferase,TPMP）的遗传多态性在抗白血病、超敏反应的药物，巯基嘌吟、硫鸟嘌吟、硫唑嘌吟代谢中起着重要的作用。通过对不同个体的TPMT的突变等位基因的分离和克隆，在分子诊断水平上，建立了以PCR为基础的基因型分析方法，这些研究揭示了药物代谢和疗效发挥的个体差异的分子基础，将有助于更精确地选择适当的治疗药物和合适的剂量用于不同的病人。

3 转录与表达分析

尽管从理论上讲，药物基因组学的研究能够预测药物对疾病治疗的效果，但它仍不是诊断和确定病人实际生理状态的强有力的武器，疾病进程疾病、药物作用和DNA者之间的关系是间接的，而几乎没有例外的是唯蛋白质分子而非基因与疾病进程和药物作用密切相关，基因型在某些情况下尚不能充分说明疾病进程或患者实际生理状态下药物的作用。

基因型分析在以下几个方面限制它的应用。第一，疾病进程的诊断和实时检测决定早期个体化的治疗方案和判别精确的疗效。第二，对相同疾病患者的分类和治疗不仅依据于静态的基因型，更重要的是按照动态的生理状态，即在生理水平上的临床试验和治疗学的重要性与基因型的关系并不十分明显。

应用功能基因组学技术测定mRNA，揭示基因的动态转录是分子生理学分析的一种方法。现代基因芯片技术对于揭示药物与受体的动态结合，药物疗效的潜在差别十分重要。然而由于疾病进程和药物作用是组织特异性的，应用mRNA筛选的焦点是药物在正确时间进入适当的组织。

mRNA表达分析的另一应用是药物早期临床试验的安全谱分析，例如，测定用药后，器官中产生了哪些mRNA，以建立与药物毒性相关的表达模式。

mRNA表达分析最主要的缺点是不能预测药物与蛋白质的作用。因为mRNA和蛋白质的关系在许多情况下，在结构上和动力学上是高度非线性的。从结构上讲，转录RNA的遗传密码并不完全包含翻译后的遗传信息，如糖基化和磷酸化，通常这对蛋白质的功能、疾病的进程和药物作用是至关重要的。从动力学上讲，mRNA和蛋白质在体内具有不同的半衰期，或者在不同的生理条件下，蛋白质的产生过程是不同的，mRNA和蛋白质水平的非线性关系在许多组织的研究中得到证实。mRNA和蛋白质的丰度（abundance）相关性仅为0．5。蛋白质的结构、分布、功能等方面，对于预测某些疾病的进程、药物作用及其过程，对于不同个体之间遗传学上的差异是十分重要的。

4蛋白质组学和药物蛋自质组学

蛋白质组是指基因组表达的所有相应的蛋白质，是指细胞或组织或机体全部蛋白质的存在及其活动方式。蛋白质组学是从整体的蛋白质水平上，从生命本质的层次上，研究和发现生命活动的规律和重要生理、病理现象的本质。与mRNA表达分析相似的是它揭示了基因活性的动态表达，而不是基因组的静态行为。由于疾病的发生和发展，药物的作用大多是在蛋白质水平上进行的，因此蛋白质组学研究克服了蛋白质表达和基因之间的非线性关系。

蛋白质组具有多样性和可变性，同一机体的不同细胞中，蛋白质的种类和数量是各不相同的，即使是同一种细胞，在不同时期、不同生理条件下，其蛋白质组都是在不断变化之中，在病理过程或药物作用下，细胞蛋白质的组成及其变化，与正常生理过程也是不同的。

药物蛋白质组学的重要研究内容在临床前包括新药和靶的发现、药物作用模式、毒理学研究，在临床研究方面包括疾病特异性蛋白作为有效患者选择的依据和临床试验的标志。应用类似于药物遗传学的方法，按照蛋白质谱来分类患者，并预测药物作用疗效。

在许多方面，临床试验包含了药物蛋白质组学在肝酶和其它的血浆蛋白测定的内容。现代蛋白质组学技术正逐步发展为能够同时显现血浆中上千种蛋白质系统的大规模技术。在现代蛋白质组学中，体液和组织样品首先被二维凝胶电泳分开，从不同的人群（如不同性别、不同年龄、特殊的基因型）获得复合的电泳图谱和一系列个体的电泳图谱，在数字化后进行分析。在这些不同的人群组中，疾病过程和药物作用对蛋白质表达的影响能够得到快速研究。

蛋白质水平的分析不仅为生物分子体系提供了最有效的实时分析模式，而且也能获得在DNA和RNA水平上不易获得的信息。例如，对肝癌患者的最近研究表明，甲胎球蛋白（AFP）的糖基化变化是比甲胎球蛋白更为灵敏的指标。在这种情况下，正常和异常的糖基化甲胎球蛋白在氨基酸序列上则没有差异，应用遗传学水平的分析则不可能发现这种差异。蛋白质组研究已经鉴定出与肝癌有关的许多特殊蛋白，其中包括血清转铁蛋白、纤维蛋白原b链、结合珠蛋白1。二维凝胶电泳和质谱的结合与精致的生物信息学建立了一套强有力的、通用的方法，用于蛋白质的分布作图和确定蛋白质的结构特征，使得药物蛋白质组学至少具有与遗传学水平上相同的作用。

蛋白质组学和药物蛋白质组学研究当前还处在一个初期发展阶段，甚至连定义还没有来得及完善，相关的技术手段及其配套应用还很不成熟。但这个领域研究的一开始，基础研究和实际应用的期望就表现出强烈结合的趋势。随着蛋白质组学、药物蛋白质组学研究的兴起，人们将在蛋白质水平上重新认识诸如生长、发育和代谢调控等生命活动的规律，为研究重大疾病的机制、疾病诊断、防治和新药开发提供重要的理论基础，并正在成为生物技术药物发展的根本动力，明显地加快开发新的治疗和诊断方法，美国Human Genome Science公司首先将系统的基因组和蛋白质组知识作为临床实验的潜在产品，他们从中发现了骨髓祖细胞抑制因子－1（MPIF－1）和角质细胞生长因子－2（KGF－2），目前它们已进入Ⅱ期临床，血管内皮生长因子－2（WEGF－2）也处于Ⅱ期临床。该公司的功能基因组计划，分离全部人类基因95％以上的mRNA，鉴定了12000个新基因、编码分泌蛋白，已完成序列分析大约9000个基因和11000个蛋白。其中包括35个新白介素，40个新生长因子和l00个新7－跨膜受体，已取得3000个以上的专利及新发现基因的潜在医学用途。

5 结语

20世纪，化学与药理学的结合，在医药工业这片沃土上结出了丰硕的成果。在新世纪中，新药不再由化学家想象产生，而将成为生物学家与化学家讨论的产物，这种以作用的生化机制和以对生物学结构和功能的理解为中心的讨论，将导致新的化学结构的产生。尽管新颖的“基因组”、“蛋白质组”药物上市的浪潮还需花费痛苦的几年，但是药物基因组学、药物蛋白质组学等生物技术将在新药的发现和开发性研究中发挥越来越重要的作用。