第1章　药物基因组学的概念及演进

药物基因组学是将基因组与药物治疗联系在一起进行研究的交叉学科，涉及有关遗传研究的许多概念。了解药物个体化治疗的相关概念，有助于明确药物基因组学的定义。

遗传学（genetics）：是研究基因的结构、功能及其变异、传递和表达规律的学科；研究范围包括遗传物质的本质、遗传物质的传递和遗传信息的实现三个方面，基因表达、遗传疾病、基因调控都属于此研究范畴。

基因（gene）：是染色体上具有遗传效应的脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）片段，由脱氧核苷酸构成。不同的核苷酸序列形成特有的生命遗传信息。通常所说的基因指染色体基因。真核生物的染色体在细胞核内，所以又称为核基因。位于线粒体和叶绿体等细胞器中的基因则称为染色体外基因、核外基因或细胞质基因。

基因组（genome）：在通常的二倍体细胞或个体中，能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体称为染色体组或基因组。一个基因组中包含一整套基因，即包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。核基因组是细胞核内的全部DNA分子；细胞质基因组则是一个线粒体所包含的全部DNA分子；叶绿体所包含的全部DNA分子称为叶绿体基因组。

基因组学（genomics）：是研究生物基因组的组成，组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学，涉及基因作图、测序和功能分析，提供基因组信息以及相关数据的系统利用。基因组学科分为以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics）。

单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）：是基因多态性（genetic polymorphism）的主要类别，主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种，占所有已知多态性的90%以上。SNPs在人类基因组中广泛存在，平均每300个核苷酸中就有1个SNP位点，人类基因组中估计其总数可达1000万个，甚至更多。

药代动力学（pharmacokinetics，PK）：简称药动学，主要是定量研究药物在生物体内吸收、分布、代谢和排泄规律，并运用数学原理和方法阐述血药浓度随时间变化的动态规律的一门学科。药代动力学是确定药物给药剂量和间隔时间的依据。

药效动力学（pharmacodynamics，PD）：简称药效学，主要研究药物对机体的作用、作用规律及作用机制，其内容包括药物与作用靶位之间相互作用所引起的生物化学、生理学和形态学变化，以及药物作用的全过程和分子机制。

治疗药物监测（therapeutic drug monitoring，TDM）：是以药物治疗个体化为核心的临床药学分支学科。根据药物治疗的药理机制，通过测定药物体内暴露（多用血药浓度测定）掌握药代动力学、药效动力学个体参数，依此调整患者的个体用药方案，控制药物暴露达到有效治疗范围，最大化保障用药安全、有效。

遗传药理学（pharmacogenetics）：是研究遗传因素对药物反应影响的学科，也是药理学与遗传学相结合发展起来的交叉学科。一般认为，遗传多态性可引起不同个体在服用药物时的药理学及毒理学的不同效果，从而引起药物治疗效果的差异。因此，遗传药理学主要研究临床药物治疗中个体反应差异的遗传学因素，即从单个基因突变的角度对药物代谢和药物反应，特别是遗传因素引起的异常药物反应进行研究。

药物基因组学（pharmacogenomics）：以药物遗传多态性为基础，从基因组整体角度研究药物与遗传的关系，而不是仅从单基因角度研究。主要以药物效应和安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性之间的关系，其目的是建立基于评价疾病易感性和选择药物治疗方案的个体化患者特征的遗传变异标志。

相对于上述概念，药物基因组学有三个特征：第一，是基因功能学与分子药理学的有机结合，专于药物作用机制的遗传学研究，有别于基因组学的广泛面向整个生物生命；第二，从全面、系统的基因组信息研究遗传对药物作用的影响，有别于遗传药理学的单基因角度遗传因素研究；第三，区别于一般意义上的基因及遗传学，它不是以发现人体基因组基因为主要目的，而是相对简单地运用已知的基因理论改善患者的治疗，即以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性的关系。

药物基因组学是“药物反应”的基因组学，以研究药物治疗特殊反应人群的功能基因、基因结构、表达调控以及其相互关系为主要内容，领域主要涉及新药研发和临床个体化治疗。

从药物治疗机制研究的角度看，药物基因组学主要涉及五方面内容：第一，研究影响药物反应的遗传学，如药物不良反应的发生与基因变异的关系；第二，研究药物代谢酶的遗传学，如CYP基因多态性对药物代谢的影响导致用药剂量的改变；第三，研究靶基因的遗传药理学，如ACE基因在内含子16位的缺失基因型与插入基因型相比酶活性增高，5-HTT启动子区基因多态性可导致不同的转录活性等；第四，研究疾病通路基因的遗传药理学，如ApoE4等位基因、CEPT基因、B2B2基因等；第五，研究毒理基因组学，采用高通量技术获得药物毒性的多基因信息，建立数据库用于临床用药安全性指导。

从研究、文献发表和临床使用的角度看，SNP研究无疑是药物基因组学最重要的内容。在多种类型的基因多态性标志物中，SNP是研究最多并且最值得关注的能够准确反映药物反应的潜力标志物。基因受环境影响，DNA分子发生核苷酸序列改变而导致基因突变（gene mutation），发生突变的频率高于1%时称为DNA分子的多态性。个体间基因组在进化中表现出微小的差异，呈现多态现象，并最终导致个体差异。相当一部分SNP直接或间接地与个体间的表型差异、机体对疾病的易感性和对药物的反应有关，因此对SNP的研究尤其受到研究者的关注，研究成果目前在临床应用广泛。

药物治疗过程有药品选择、药物定量两个环节，一般包括PK和PD两种研究路径。PK/PD呈现了药物治疗的完整轮廓，描述药物效应发生、发展过程中，药物基因组学参与其中的所有遗传事件。

了解影响药物作用的全部因素，有助于认识药物基因组学的作用。影响药物治疗的因素主要有药物因素和机体因素两方面：

主要有药物理化特性、剂型（处方）、环境、药物相互作用等因素。例如青霉素G、甲氧西林、红霉素等可被胃酸分解，地高辛可被肠内细菌分解，利多卡因、维拉帕米等具有明显的肝脏首过代谢效应；不同药物剂型、处方工艺会导致制剂间生物利用度和吸收速率常数的差异；药物联用抑制或诱导肝微粒体酶，改变代谢酶活性诱发药物PK/PD的吸收、分布、代谢、排泄状态改变，引起药物暴露变化。

主要有生理因素、病理因素、遗传因素等。例如，性别、年龄、体重和营养状况都在一定程度上影响药物的体内过程；肝肾功不全、代谢性疾病、吸烟、嗜酒等病理特征及生活习性，均能改变患者的药动学参数，进而影响体内药物浓度的改变；患者药物代谢酶、转运体及受体的遗传缺陷，会导致不同患者药物代谢酶活性、药物转运体能力大小及药物受体敏感性的不同。

药物基因组学虽然是药物治疗诸多影响因素之一，但却是影响最为广泛和复杂的一个。遗传因素对药物效应的影响，以药物疗效和安全性为主要目标。药动学和药效学差异都具有遗传学基础，药物基因组学与药动学、药效学的个体差异紧密相关。药物基因组学的研究可解释其差异，其研究进展为个体化治疗提供了新的模式，是近年来个体化研究的热点问题，极具发展潜力。

遗传因素是影响药物治疗的重要因素。药物的处置过程和效应由不同的功能蛋白调控支配，主要涉及PK和PD相关的遗传多态性，前者研究较多。与PK相关的基因编码功能蛋白有两大类：

又称P糖蛋白，由MDR1基因编码，广泛存在于肠壁、胆管、肾管、血脑屏障和肿瘤组织中，具有加速药物组织外排的作用。

同MDR一样是跨膜蛋白，其机制和作用同P糖蛋白类似，可逆浓度梯度将疏水性化合物排出细胞外。

主要有OAT1和OAT3，其中OAT1主要存在肾皮质，作用底物包括β-内酰胺类抗菌素、血管紧张素转换酶抑制剂、叶酸及甲氨蝶呤；OAT3主要表达于肝脏、肾脏、眼和脑组织，是有机阴离子/二羧酸盐转运子，底物为通过肾代谢和排泄的多种药物。

是体内重要的膜转运蛋白，广泛分布于胃肠道、肝脏、肾脏、血脑屏障等处，可介导激素、心血管药物等内、外源物质的跨膜转运。

OCTs家族的第一成员OCT1在许多外源性药物的吸收、分布和排泄中发挥重要作用。OCT1存在许多基因多态性，有些多态性与其转运活性密切相关。该种转运体主要分为3个亚类，分别为OCT1、OCT2和OCT3。OCT1主要分布于肝脏，OCT2主要分布于肾脏，OCT3在组织分布较为广泛，包括脑、心脏。

PepT1和PepT2都是依质子的寡肽转运载体家族的成员。PepT1是低亲和力/高容量的肽载体，主要在消化道中表达，在肾脏中也有微弱的表达。PepT2属于典型的依质子的寡肽转运体超家族成员，是一种H ⁺依赖的、低亲和力/高容量寡肽转运体，主要表达在小肠上皮细胞刷状缘膜上，肽类似药物和部分细菌产物均可经该载体转运吸收。

肝脏富含药物Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢所需的各种酶，其中以P450酶最为重要，肠壁中也存在。人体中重要的P450酶有CYP1A2、CYP2A6、CYP2B6、CYP2C8、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1、CYP3A4和CYP3A5。P450酶存在有明显的种属差异，多态性是P450酶的一个重要特征，人体内许多P450酶表现出多态性，其中以CYP2D6和CYP2C19的多态性最为典型。另外，P450酶具有可诱导和可抑制性，即P450酶的量和活性会受到药物（或其他外源物）的影响，可能会影响药物本身的代谢，并可能引起代谢性药物相互作用。

已知人类的乙醛脱氢酶由3个基因所编码：ALDH1A1、ALDH2及最近发现的ALDH1B1（亦称ALDH5）。正常的等位基因记为ALDH2*1，单碱基突变的等位基因记为ALDH2*2。研究显示，中国人ALDH2*2的频率为18%，其中广东汉族最高（31%）。

可催化乙酰基从乙酰辅酶A（coenzyme A，CoA）转移到异烟肼的氮原子上，例如NAT直接催化乙酰基团从乙酰CoA转移到其作用底物芳香胺及杂环胺类物质上，从而活化或灭活芳香胺类致癌物质。目前国内外关于NAT2多态性与疾病发生的相关性已有大量研究，证明了膀胱癌、结肠直肠癌、肝癌、前列腺癌、乳腺癌、胃癌等恶性肿瘤在不同类型乙酰化代谢者人群中，NAT2活性呈多态分布。根据乙酰化表型的不同可将人群划分为三类：慢型乙酰化代谢者、快型乙酰化代谢者和中间型乙酰化代谢者，各种类型发生的频率不同。

是化学物质体内生物转化第Ⅱ时相中最重要的代谢酶，可催化N-羟基化合物与葡萄糖醛酸结合，阻止杂环胺诱发DNA突变。UGT家族可以把一系列亲脂性底物转化为水溶性葡萄糖醛酸，是解毒的重要方式。它能催化药物、环境毒物、类固醇和甲状腺激素的葡萄糖醛酸化，促进脑内糖脂的生物合成；同时还参与胆红素、短链脂肪酸、胆汁酸等内源性化合物的生物代谢。

在硫嘌呤类药物（如6-巯基嘌呤、6-硫鸟嘌呤和硫唑嘌呤药物）的代谢过程中起着关键作用。硫嘌呤类药物的疗效和毒性均与患者体内的TPMT活性有关。TPMT活性缺乏属于常染色体隐性遗传。野生型TPMT基因被定义为TPMT*1。迄今为止已发现11种基因突变可引起TPMT酶活性的降低。

我国传统中医药治疗注重“理法方药、望闻切问”，因人施治，凸显一人一方的“个体化用药”理念。个体化治疗是西方医学的用词，意指在对患者的治疗中要考虑个体差异、心理诉求及诸多影响因素，实施针对患者个体的效应最大化、危害最小化的医疗措施。在英文词语中，“personalized medicine”“individualized treatment”“individualized medicine”等均指个体化治疗。以此检索词在PubMed数据库中检索，发现早在1952年就有文献提到个体化治疗，内容为针对可的松敏感性差的眼疾病患者采取强化激素治疗。1960—1970年，随着药代动力学、治疗药物监测学科的发展，以个体药物治疗方案设计为主要内容的个体化治疗快速发展，主要手段为测定血药浓度为主的药品暴露，为癫痫、哮喘、心力衰竭、感染等的临床治疗提供了有效的药学支持。1980年左右，随着器官移植术的开展，对免疫抑制剂的监测使得药物个体化治疗从技术和临床实践上都有了一次飞跃。

遗传药理学及分子生物学（基因、蛋白）的发展与个体化医疗紧密相关。1953年DNA双螺旋结构理论问世，确定了遗传的分子学基础；1956年Carson发现葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺陷；1957年Motulsky等确认代谢遗传缺陷可引起药物反应的个体差异；1959年Vogel首先使用“遗传药理学”（pharmacogenetics）这一名词；1960年Price Evans提出乙酰化多态性表征；1963年Williams提出两相酶参与药物体内代谢理论；1960—1990年，药物代谢酶多态性成为遗传药理学研究发展的主要内容。药物代谢酶多态性的深入研究为药代动力学个体差异提供了理论依据，揭示了遗传因素在个体化治疗中的作用。

1990年，美国启动人类基因组计划（Human Genome Project，HGP），为研究药物相关基因及其对药物代谢和反应的影响提供了更多、更完整的信息；1997年，“药物基因组学”应运而生（Pubmed检索显示，1998年2月首现药物基因组学术语及文献）；2000年，第一稿人类基因组图谱完成。人类基因组计划和国际HapMap项目研究发现了大量遗传学信息和数据，如临床预测基因（如UGT1A1*28）、单倍型（如VKORC1单倍体A）和体细胞突变（如表皮生长因子受体）。FDA批准的UGT1A1*28基因型的启动引导治疗直肠癌临床试验的实施，提供了第一个将药物基因组学研究整合到临床实践中的范例。人类基因组信息的完整呈现和检测技术的发展，推动了药物基因组学的发展。药物基因组学的兴起带动起个体化治疗的新高潮，“量体裁衣”式的药物治疗革命与基因检测紧密联系在一起。

2005年，FDA颁布了“药物基因组学资料呈递（Pharmacogenomic Data Submissions）指南”，旨在敦促药厂在提交新药申请时，依据具体情况必须或自愿提供该药物的药物基因组学资料，以推进新型“个体化用药”进程，最终达到视“每个人的遗传学状况”而用药，使患者在获得最大药物疗效的同时，面临最小的药物不良反应风险。2007年，FDA首次批准了一种药物基因组学检测方法，用于判断常用抗凝药物华法林的用量及敏感性，并修改了药物说明书，要求针对基因变异对药物的影响给出警告提示。2010年，因为剂量的基因特异性又对该药物说明书进行了修改，建议在给出该药处方前，对CYP2C9、VKORC1进行基因检测。

截至2016年4月，FDA、EMA、PMDA、HCSC等机构已推荐了199种药物的基因组学信息，并纳入药物说明书中（我国上市药品涉及其中116种），用于预测不同基因型患者在应用药物时的疗效和不良反应。

药物基因组学经过近20年的发展，在研究方法、检测技术、数据分析和临床经验等方面推动了个体化医学发展，在药物反应易感人群评价、精准治疗药物治疗方案设计等方面也积累了丰富的研究经验和实践证据。精准医学从实验室走到临床已成为可及的现实。

但是，精准医学在临床的实际应用也存在一定的局限性：①药物遗传信息复杂、量大，现有检测技术及信息处理方法难以满足时效性和量效性；②在药物治疗研究中，不断发现药物反应新的相关基因型和表型，而现有信息难以回答全部问题；③遗传因素对药物治疗的预测会受环境、饮食、生理病理状况和合并用药等复杂情况的干扰。

药物基因组学的完善和发展趋势可从三方面加以分析和预测。

第一，建立精准医学个体化信息的大数据平台。通过分析药物基因多态性、测定体内药物暴露（通常为血药浓度）或药物效应生物标志物，结合药物的有效性、安全性，根据临床诊断、药代动力学、药效学及遗传药理学特征，制订适合患者个体的用药方案，使患者的血药浓度处于最低有效浓度与最低中毒浓度范围内，保证药物暴露达到一个适宜的程度，从而最大限度地发挥药物的治疗作用，避免或减少毒性/不良反应。药物基因组学可以提供影响药物代谢、转运和效应的遗传变异信息识别，为个体化的给药方案提供初始参考和制订依据。高通量技术可及时有效获取药物PK/PD个体差异的遗传数据，形成药物代谢酶和转运体遗传信息的可靠平台。

第二，加强药物基因组学、药代动力学、药效动力学多学科联合。肿瘤、心脑血管疾病、免疫性疾病、代谢紊乱等疾病治疗复杂，药物治疗效果受多因素影响，通过现有检测技术和信息手段获得及时、全面的个体化信息数据存在挑战。药物基因组学、药代动力学、药效动力学等多因素融合，对于获取全面、精准的个体化信息至为重要，在药物和剂量选择时应考虑效益最优化。

第三，树立整合创新理念。疾病治疗是复杂的技术、管理、观念综合行为的结果，全面树立开放、规范、创新的新理念才能面对新的医学变革。例如，针对人类众多疾病中的遗传因素病因和风险，合作开展全基因组关联研究，能够探究更深层次的疾病风险机制，阐明人类疾病存在大量个体化差异的原因。利用人类基因组序列信息，既是药物发现的新途径，也有助于实现个性化药物治疗，对预防疾病产生新见解。不过要使其成为临床常规，尚须制订一系列技术和管理规范。精准医学是通过获得全面、完整的药物基因组学、药代动力学、药效动力学等信息而开展精准治疗活动，有助于推动新理论、新技术、新方法的发展和使用。

综上所述，药物基因组学是研究基因序列变异及其对药物不同反应的科学，因此它既是研究开发高效、特效药物的重要途径，也是为患者或者特定人群选择合适治疗药物的重要方法，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

1.Ruth March. Pharmacogenomics：the genomics of drug response. Yeast，2000，（17）：16-21.

2.Blackwell Science Ltd. Pharmacogenetics and pharmacogenomics. Br J Clin Pharmacol，2001，52：345-347.

3.Lisa Melton. Pharmacogenetics and Genotyping：On the trail of SNPs. Nature 422，917-923（24 April 2003）.

4.陈西敬，王广基. 药物转运蛋白在药物吸收、分布和排泄中的作用及对新药研发的意义. 中国药科大学学报，2003，34（6）：483-486.

5.吕森森，李长贵. 有机阴离子转运蛋白1和3的研究进展. 齐鲁医学杂志，2009，24（4）：371-372.

6.谭玮，李燕. 有机阴离子转运肽在药物转运中的作用. 国际药学研究杂志，2007，34（50）：364-368.

7.苑晋艳，周宏灏. 有机阳离子转运体OCT1的遗传药理学研究进展. 国际病理科学与临床杂志，2009，（2）：160-164.

8.韩林志，周宏灏. 有机阳离子转运体的基因多态性研究进展. 中国临床药理学与治疗学，2009，（4）：460-465.

9.陈红旗，秦环龙. 寡肽转运体PepT1在胃肠道中的功能表达及调控因素. 中华临床营养杂志，2010，18（2）：115-120.

10.范东东，孙铭娟，王梁华. 酰基转移酶研究. 生命的化学，2008，28（6）：701-703.

11.Quinn JR，Wolfson WQ. Improved results from individualized intensive hormonal treatment in certain eye diseases reported to respond pooly to ACTH cortisone. Med Bull（Ann Arbor），1952，18（1）：1-21.

12.周宏灏、张伟. 新编遗传药理学. 北京：人民军医出版社，2011.2-26.

13.Mariamena Arbitrio，Maria Teresa Di Martino，Francesca Scionti，et al. DMETTM（Drug Metabolism Enzymes and Transporters）：a Pharmacogenomic platform for precision medicine.

14.Calvo E，Walko C，Dees EC，et al. Pharmacogenomics，Pharmacokinetics，and Pharmacodynamics in the Era of Targeted Therapies. Am Soc Clin Oncol Educ Book，2016，35：e175-e184.

15.Bartlett MJ，Shephard EA. The integration and interpretation of pharmacogenomics-a comparative study between the United States of America and Europe：towards better health care. Drug Metab Pers Ther，2016，31（2）：91-96，doi：10.1515/dmpt-2015-0044.

16.Yee SW，Momozawa Y，Kamatani Y，et al. Genomewide Association Studies in Pharmacogenomics：Meeting Report of the NIH Pharmacogenomics Research Network-RIKEN (PGRN-RIKEN) Collaboration. Clin Pharmacol Ther，2016，doi：10.1002/cpt.405.[ Epub ahead of print]

17.See comment in PubMed Commons belowAnaya JM，Duarte-Rey C，Sarmiento-Monroy JC，et al. Personalized medicine. Closing the gap between knowledge and clinical practice.Autoimmun Rev，2016，pii：S1568-9972（16）30123-30129.