药物遗传学与哮喘治疗的未来
2008/11/28
刘春涛
成都，四川大学华西医院呼吸内科 610041
呼吸科医生在临床工作中常常感到困惑的是，同样病情的哮喘患者可能对药物治疗的反应差别很大。关于这一点有很多种解释，如环境因素、患者的顺应性、合并症以及社会心理因素，等等。近来遗传或基因因素与治疗的反应性的关系受到了广泛的关注，由此产生了一个新的学科－药物遗传学（pharmacogenetics）。人们希望借助于药物遗传学找到最佳的剂量或药物组合，预测疗效，预防或减少药物的不良反应，从而真正实现个体化治疗。 目前已经积累了大量的关于哮喘患者遗传基因变异的资料，但是迄今很少有临床研究来证实这些基因变异与治疗反应性的联系，因此，药物遗传学在哮喘治疗领域应用还刚刚起步。
一、人类基因组的变异性
人类基因组发生变异可以通过几种方式，最常见的方式为单个位点（locus）单个碱基的改变，即所谓单核苷酸多态性（SNP）。大体上SNP出现的频率在DNA非编码区域约为1：500/碱基，在编码区域约为1：1,000 /碱基，但在不同的区域差异很大。单个或较长片断的DNA被插入或删除也可形成多态性。这种多态性比SNP少见，但如果出现在编码区域，常常会造成功能改变，主要是因为碱基的插入或删除会导致编码区域的框架移位（frame shift）。框架移位可以导致终止密码子提前出现，导致一个截短的蛋白质产物。例如，CC趋化因子受体5（CCR）32位碱基被删除引起D32突变，导致框架移位和终止密码子提前出现，合成的蛋白质不能在细胞膜表面表达。由于CCR5是HIV进入巨噬细胞的共同受体，携带CCR5 D32突变纯合子的个体缺乏关键性的细胞表面受体，在感染HIV之后也不会罹患AIDS。多态性其他常见的形式包括2个、3个乃至4个核苷酸的重复序列。在人类基因组当中这些重复系列的稳定性很差，在不同的个体同一个位点重复系列的数量差异很大，导致人群中出现多种等位基因。这种多态性很少出现在编码区域，而在非编码区域相对常见，可能改变转录活性或影响DNA的二级结构，如5-脂氧合酶基因（ALOX5）。对于任何出现于常染色体的多态性，每一个个体都可能是这个多态性的杂合子或纯合子，在考察药物反应性时，如果研究人群的杂合子表型不清楚，就很难解释试验的结果。而如果目的基因位于异染色体，则所有男性将只有这个基因的单个拷贝，也只有单一的等位基因，这一情况见于半胱氨酰白三烯-受体（CYSLTR1）。
二、气道靶基因变异性
1990年中期以来对大多数气道药物靶基因编码区进行了系统的筛查，发现了多种变异，表1列出了气道重要的药物靶基因的多态性。目前这些基因变异的重要性越来越受到重视。例如，人类β肾上腺素能受体基因含有18个SNP，其中4个引起氨基酸替换。这些SNP的频率较高，为1：180，而其他基因如毒蕈碱M3受体的多态性则少得多，提示对不同的药物靶基因，遗传变异性的影响度差别很大。目前对气道靶基因转录调控区域的多态性研究不多，但初步资料显示其多态性并不比编码区域少，如人类β肾上腺素能受体和毒蕈碱M2受体启动子的多态性。
表1 哮喘药物靶基因多态性
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药物 |
靶基因 |
已知多态性 |
体内药物遗传学效应 |
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β2-肾上腺素能受体激动剂 |
ADRB2 |
Arg16Gly, Gln27Glu, Thr164Ile, 其他不肯定的SNP |
Arg16Gly 和Thr164Ile 有意义 |
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白三烯调节剂 |
ALOX5 |
启动子 (Sp1/Egr1 repeat) |
有 |
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LTC4S |
启动子 (-444A/C, -1072G/A) |
可能有 |
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ALOX5AP |
启动子 (-336G/A, CA repeat) |
不肯定 |
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CYSLT1R |
927C/T |
不清楚 |
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糖皮质激素 |
GR |
Val641Asp |
不清楚 |
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Val729Ile |
不清楚 |
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Asp363Ser |
可能有 |
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Bcl (G/C), rs33389(G/A), rs33388(A/T) |
仅见于一个研究 |
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S651F, 231insA |
不清楚 |
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rs1876828(A/G) |
仅见于一个研究 |
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毒蕈碱受体拮抗剂 |
CRHR1 |
1197(T/C), 1696(T/A), 976(A/C) |
意义不大 |
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CHRM2 |
启动子 CA 重复系列，SNP(G/A) |
可能 |
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CHRM3 |
rs2350786(A/G), rs324651(G/T), rs8191992(A/T), rs1378650(C/T) |
意义不大 |
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-708A/G, -627G/C, -513C/A, 492C/T, CTTT 重复系列, GT重复系列 |
意义不大 |
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茶碱 |
PDE4家族 |
PDE4D 基因家族多个SNPs |
不清楚 |
药物遗传学最好的例子是某类治疗指数比较窄的药物，基因的变异可能会影响到药物的代谢途径，如细胞色素 P450 2 C9与华法林代谢的关系，细胞色素 P450 2 D6 与抗抑郁症药物代谢的关系。但大多数用于气道的药物（除茶碱之外）并不具狭窄的治疗指数，因此，对于治疗反应性而言，药代动力学并非一个重要的因素。
四、下游信号途径与内环境稳定机制
通过药物靶基因或影响药物体内水平的代谢途径的变异，可以预测药物的反应性。另一方面，暴露于药物引起的下游信号级联或内环境稳定机制的基因变异，也是影响个体治疗变异性的因素，但其究竟有多重要尚不清楚。理论上，通过研究特定药物对一系列基因的影响，有可能全面评价基因变异性对药物反应性的作用，但实际上由于涉及的基因众多，所需研究人群过于庞大，这一点很难做得到。
五、5-脂氧合酶基因（ALOX5）与治疗反应性
关于ALOX5多态性对治疗反应性的影响，最早的一项回顾性研究系针对ALOX5启动子的多态性。ALOX5的转录控制取决于ALOX5基因启动子上SP1基序重复序列的数量。除野生型之外的基因型转录活性较低，在体内合成的5-脂氧合酶减少。ALOX5 启动子多态性与哮喘易感性无关，但携带这些非野生型等位基因的纯合子个体对5-脂氧合酶抑制物ABT-761没有反应，提示对5-脂氧合酶抑制剂的反应性取决于这一多态性位点。尚无临床试验针对已上市的5-脂氧合酶抑制剂进行考察，但有研究提示ALOX5 多态性可能影响某些个体对cysLT拮抗剂的反应性。
六、白三烯C4合成酶基因
阿司匹林哮喘是一种特殊类型的哮喘，与白三烯合成途径的基因变异有关。但令人诧异的是，目前还没有一种单基因的变异能够解释阿司匹林过敏或对cysLT受体拮抗剂的反应性。如前所述，除了先前已证实的ALOX5基因和cys LT 受体基因多态性外，有研究发现LTC4 合成酶（LTC4S）启动子SNP可以预测对阿司匹林的敏感性，虽然总体上这一SNP的作用很小。尚未证实LTC4S启动子存在多个SNP，不过这些SNP对哮喘易感性的影响似乎很小。数个研究考察了LTC4S -444A/C SNP对cys LT 受体拮抗剂的反应性，但样本数量有限，结果也不完全一致。
七、β2-肾上腺素能受体基因多态性
迄今为止，哮喘药物遗传学研究得最多的气道靶基因是β2-肾上腺素能受体（ADRB2）。ADRB2 基因含有多个多态性，其中Arg-Gly16和Gln-Glu27 多态性与功能改变关系最大，绝大多数研究集中于最常见的Arg16多态性，多数资料显示携带Arg16 allele的个体 对β2-受体激动剂的初始反应较好，但持续用药，受体下调更明显，从而造成支气管舒张效应的衰减。在一个大型临床试验中，Arg16 或 Gly16纯合子哮喘患者随机交叉分到规则使用沙丁胺醇组（每日四次），结果显示Arg16纯合子个体不能维持对沙丁胺醇的反应性，而在缓解症状药物使用次数和症状积分等指标方面与其他患者也有差异。鉴于上述结果，目前哮喘指南已不再推荐规则使用短效β2受体激动剂。Arg16纯合子个体是否需要改换其他的支气管扩张剂如抗胆碱能药物？这些个体对LABA的反应性是否与短效一样？最近的一项研究显示，Arg16个体在采用吸入激素和LABA联合治疗时，其支气管舒张反应与Gly16个体相同，提示吸入性糖皮质激素对Arg16多态性所致的药物遗传学效应具有保护作用。其他的一些小规模的研究发现，在Arg16多态性个体，LABA的支气管舒张效应和支气管保护作用均相对较弱。因此，对Arg16纯合子哮喘患者是否应当常规推荐使用LABA，尚值得商榷。此外，一种少见的多态性Thr-Ile164据信可改变激动剂的结合特性以及腺苷酸环化酶激活。携带Ile164 多态性的个体对长效β2受体激动剂（LABA）沙美特罗的反应性不如儿茶酚配体，且表现出不同的作用时间，这一点可能归因于其分子结构中亲脂的尾巴和跨膜结构域的结合特性发生改变。Ile164 多态性出现频率很低，在高加索人种中为3%，纯合子个体更为罕见。对这一多态性杂合子个体的药物反应性，目前尚未进行充分的研究，有资料提示这些个体若合并心脏病，其心血管反应异常，死亡率较高。
八、毒蕈碱受体
抗胆碱能制剂即可用于COPD的治疗，也用于哮喘的治疗。异丙脱溴铵是一种非选择性抗胆碱能制剂，拮抗气道M1、M2、M3毒蕈碱受体。而噻托溴胺属于M3相对选择性拮抗剂。乙酰胆碱对气道平滑肌的作用主要通过刺激M2和M3受体。如前所述，M2和M3受体基因编码区（CHRM2 和CHRM3）均存在SNP，但频率远远低于其他基因如β2-肾上腺素能受体。气道表达M2和M3受体部分取决于转录控制机制。已发现CHRM2和CHRM3启动子均存在数种多态性变异体，如在M2启动子存在不同的双核苷酸重复序列，从而改变报道基因（reporter gene ）的表达水平，并最终改变M2受体在体内的表达水平。但这一改变与治疗反应性的关系尚不清楚。
九、糖皮质激素反应性
对激素抵抗哮喘的分子机制多年来进行了大量的研究。糖皮质激素受体以两种形式存在：GRa 和GRb。在激素受体基因上存在多种SNPs，某些可以引起氨基酸替换，但似乎与激素抵抗关系不大。Asn 363 Ser多态性可能导致受体某些功能改变，如ser 363个体地塞米松抑制试验反应异常。但在哮喘治疗领域，到目前为止，尚未证实某一特定的受体基因多态性与激素反应性之间的确切联系，有可能下游信号转导途径的意义更大。最近有人提出CRHR1基因可能是激素反应性的标志物，但需要更多的证据支持。
十一、小结
药物遗传学是临床医学、药物治疗学、临床药理学、分子生物学和遗传学相互交叉形成的一门新兴科学，目前正方兴未艾。借助于药物遗传学研究，我们有可能找到适合于特定人群/个体的药物或药物的组合，准确预测疗效，预防不良反应，从而实现基因水平的个体化治疗。在哮喘治疗领域，数年来对哮喘药物靶基因编码区的多态性进行了大量的研究，近期开始深入到非编码区或调控区，可以预期药物遗传学将成为哮喘的治疗的发展方向，为哮喘患者带来更加光明的前景。但这些手段要运用于临床常规，尚需克服诸多障碍，判断治疗反应的指标需要更加科学，而药物遗传学的成本-效益也需要谨慎的评估。
参考文献
1、Roses AD. Pharmacogenetics and the practice of medicine.Nature 2000; 405: 857–865.
2、Lander ES, Linton LM, Birren B, et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001; 409: 860–921.
3、Mueller A, Strange PG. The chemokine receptor, CCR5. Int J Biochem Cell Biol 2004; 36: 35–38.
4、Samson M, Libert F, Doranz BJ, et al. Resistance to HIV-1 infection in caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene. Nature 1996; 382:722–725.
5、In KH, Asano K, Beier D, et al. Naturally occurring mutations in the human 5-lipoxygenase gene promoter that modify transcription factor binding and reporter gene transcription. J Clin Invest 1997; 99: 1130–1137.
6、Fenech A, Hall IP. Pharmacogenetics of asthma. Br J Clin Pharmacol 2002; 53: 3–15.
7、National Center for Biotechnology Information (NCBI).Entrez SNP. ww.ncbi.nih.gov/entrez /query.fcgi?CMD5 seacrh&DB5snp. Date last accessed: March 2007.
8、Reihsaus E, Innis M, MacIntyre N, Liggett SB. Mutations in the gene encoding for the β2- adrenergic receptor in normal and asthmatic subjects. Am J Respir Cell Mol Biol 1993; 8: 334–339.
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