Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013
Информационные принципы в биотехнологии
Биоинформатика в фармации
Медицинская геномика и фармакогеномика
К медицинской геномике относятся молекулярная диагностика наследственных заболеваний, прогнозирование, генотерапия, фармакогеномика.
Генная диагностика и генотерапия. Благодаря успехам проекта "Геном человека", в частности картированию однонуклеотидных замен (полиморфизмов) SNP (снипов), открылись новые возможности генной диагностики и терапии. Идентифицированы гены, с которыми связана этиология более чем 6 000 наследственных болезней.
Ряд заболеваний (миодистрофия Дюшенна, фенилкетонурия, гемофилия и др.) являются моногенными, то есть, обусловлены мутациями генов терминальной дифференцировки. Однако даже при моногенных болезнях степень тяжести патологического процесса, сроки его начала, особенности течения, осложнения и исходы зависят также и от генов- модификаторов. Роль генов-модификаторов возрастает при болезнях с поздней манифестацией.
Ещё сложнее прогнозировать ситуацию при полигенных болезнях и мультифакториальных заболеваниях, в которых задействованы многие гены и разнообразные внешние воздействия. Таких заболеваний большинство - рак, гипертензия, астма, эпилепсия, диабет, шизофрения, биполярные психозы и т. д.
Наследственные болезни в принципе можно лечить посредством гемотерапии - направленного изменения генов соматических клеток. Введение гена в клетку осуществляется с помощью вирусов (векторов), содержащих РНК в качестве средства доставки гена. Исследования с рекомбинантными ДНК позволяют выяснить, какова функция каждого гена в конкретный момент онтогенеза и как в микроорганизмах происходит экспрессия генов человека и других видов.
Внесением в клетку генетического материала можно добиться следующих результатов:
✵ компенсация функции бездействующего гена;
✵ устранение дефектного гена;
✵ добавление нового гена, детерминирующего свойство, которое бы способствовало выживанию клетки.
Однако с развитием этого направления сопряжены серьёзные опасения: возможность нежелательных изменений генофонда человека, вызванных включением в половые клетки новых генных конструкций, а также сохранением потомства подвергшихся генотерапии лиц с наследственными болезнями.
Биологические модели генетических болезней. Чтобы получить лабораторных животных, которые могут служить биологическими моделями наследственных болезней, применяется направленный мутагенез эмбриональных стволовых клеток. Биологические модели широко используются как с целью распознавания генов, детерминирующих ту или иную патологию, так и для изучения особенностей взаимодействия генов в зависимости от множества факторов, влияющих на человеческий фенотип (генные мутации, возраст, пол, инфекции, токсические и другие внешние воздействия).
Можно привести много примеров того, как сравнительный анализ геномов человека и лабораторных животных помогает исследовать этиологию тяжёлых и распространенных болезней. До недавнего времени оставалось неизвестным, гены каких метаболических путей задействованы в патогенезе ожирения. Теперь у больных с морбидным (болезненным) ожирением выявлены мутации некоторых генов, гомологичных мутированным генам мышей линий fat, obese, diabetes. У мышей обнаружен ген, направленная мутация которого предотвращала ожирение, вызываемое специальной диетой. Оказалось, что у человека гомологичный ген обеспечивает кодирование сывороточного гликопротеина, который секретируется активированными Т-лимфоцитами и модулирует взаимодействие иммунных клеток. У больных с гипертензией прослежены несколько генов, гомологи которых мутированы у крыс, принадлежащих к линиям с врожденной гипертензией.
Генные сети. Исследование взаимодействия генов, поиск "главных" генов и генов-модификаторов связаны с проблемой построения так называемых генных сетей. Генная сеть складывается из следующих компонентов:
✵ группа генов, составляющих ядро сети;
✵ белки, кодируемые этими генами;
✵ пути передачи сигналов;
✵ отрицательные и положительные взаимодействия, обеспечивающие авторегуляцию;
✵ низкомолекулярные соединения.
Гены, составляющие ядро сети (центральные гены), координируют функции остальных генов сети. Для каждой сети характерен кассетный механизм активации больших групп генов одним транскрипционным фактором. Генную сеть можно построить для любого врожденного дефекта и любого заболевания. Информация о генных сетях накапливается в специализированных базах данных GeneNetWorks (http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/gnw/genenet/) Института цитологии и генетики СО РАН.
Фармакогеномика. Давно замечено, что при одной и той же болезни одинаковое лекарство действует с разной эффективностью и вызывает разнообразные побочные эффекты. Эти различия определяются многими факторами (патогенез и степень тяжести заболевания, пол и возраст больного, функции почек и печени, сопутствующие болезни и т. д.), которые учитываются при клинических испытаниях лекарственных средств. Ещё в 50-е годы XX века появились документированные сообщения о том, что эффективность и токсичность лекарств в значительной мере зависят от наследственных особенностей организма. К числу первых сообщений относились публикации о следующих клинических наблюдениях.
✵ слишком продолжительный эффект миорелаксанта суксаметония, применяемого во время хирургических вмешательств, сопряжён с наследственным дефицитом плазматической холинэстеразы;
✵ развитие гемолиза при антималярийной терапии коррелирует с наследственным уровнем активности глюкозо-6-фосфатдегидро-геназы эритроцитов;
✵ нежелательный эффект изониазида в виде периферической нейропатии возникает при наследственном снижении скорости ацетилирования.
Так возникла новая дисциплина - фармакогенетика, предметом которой были фармакологические фенотипы.
Начавшееся в 80-е годы XX века бурное развитие биоинформатики в сочетании с новыми молекулярно-биологическими методами секвени- рования и клонирования кодирующих последовательностей генома привело к трансформации фармакогенетики в фармакогеномику, которая выявляет наследственные особенности на молекулярно-генетическом уровне и нацелена на создание лекарств, специфичных для конкретного генотипа.
Фармакогенетика и фармакогеномика исследуют, в сущности, один и тот же объект, но соответственно на уровне фенотипа и на уровне генотипа. Так что эти два названия дисциплины взаимозаменяемы.
Терапевтические и побочные эффекты лекарственного средства (фармакодинамика) обусловлены, во-первых, его взаимодействием с так называемыми фармакологическими мишенями - рецепторами нейромедиаторов и гормонов, ферментами, сигнальными белками и многими другими белками, регулирующими клеточные функции. Кроме того, для соотношения между эффективностью и токсичностью препарата важна фармакокинетика - зависимость от времени распределения лекарства в организме, его метаболизма и выведения продуктов метаболизма.
Задача функциональной геномики и протеомики состоит в изучении функций белков, синтезируемых организмом в результате экспрессии генов. Благодаря функциональной геномике выяснилось, что индивидуальные различия терапевтической эффективности лекарственных средств и выраженности нежелательных побочных реакций ассоциированы с полиморфизмами генов, кодирующих (1) белки-мишени и (2) ферменты метаболизма. Генные полиморфизмы чаще ассоциированы с пониженной активностью кодируемого белка, но иногда кодируется белок с повышенной активностью.
Фармакогеномика изучает констелляции (сочетания) генов, определяющих эффективность и токсичность конкретных лекарственных средств.
Генные полиморфизмы фармакологических мишеней. Почти для всех генов, кодирующих фармакологические мишени, выявлены полиморфизмы, которые вносят свой вклад в индивидуальную вариабельность реакций на лекарственные средства.
Схематически фармакологическая роль однонуклеотидного полиморфизма (снипа) представлена на рисунке 84.
Как показали молекулярные исследования, генные полиморфизмы во многих случаях соответствуют изменениям чувствительности к терапевтическому действию определённых препаратов, например:
✵ полиморфизмы ß-адренорецепторов соответствуют чувствительности к ß-агонистам у больных астмой;
✵ полиморфизмы рецепторов Т1 ангиотензина-II соответствуют чувствительности сосудов к фенилэфрину;
✵ полиморфизмы рецепторов сульфанилмочевины коррелируют с чувствительностью к гипогликемическим производным сульфанилмочевины;
✵ полиморфизмы рецепторов серотонина соответствуют изменениям в реакции на нейролептики, в частности на клозапин.
Кроме того, изменения чувствительности к лекарствам могут наблюдаться при полиморфизмах генов, кодирующих белки, которые задействованы в патогенезе заболевания. Так, мутации гена, детерминирующего аполипопротеин Е, снижают эффективность такрина при болезни Альцгеймера.
Рисунок 84 - Генотипы пациентов, определяющиеся снипом
От генных полиморфизмов фармакологических мишеней может зависеть индивидуальная предрасположенность к побочным реакциям на лекарства:
✵ полиморфизм дофаминового рецептора типа Д3 и риск поздней дискинезии;
✵ мутации калиевых каналов и риск аритмических реакций;
✵ полиморфизм рецептора рианодина и риск развития злокачественной гипертермии при наркозе.
Ещё одна причина вариабельной чувствительности к лекарственным средствам - это полиморфизмы белков-мишеней патогенных организмов и вирусов (например, вируса иммунодефицита человека, туберкулёзной бактерии).
Генные полиморфизмы метаболических ферментов. Катализируемая ферментами деградация экзогенных соединений приводит к их детоксикации и выведению из организма. Наряду с этим для проявления терапевтического эффекта часто бывает необходимо образование активного продукта в результате метаболизма молекулы-предшественника. В метаболизме ксенобиотиков участвует большое количество ферментов. Гены этих ферментов часто подвержены полиморфизму.
Наследственные вариации метаболических путей нередко являются моногенными. Характер их влияния на фармакокинетику и фармакодинамику лекарственного средства зависит от того, в каких процессах участвует кодируемый белок - в активации или инактивации вещества.
Если белок, кодируемый аллельным геном, необходим для инактивации лекарственного средства, следствием может стать повышенная токсичность (например, потенциально фатальные нарушения гематопоэза при стандартных дозах меркаптопурина или азатиоприна у больных с дефицитом метилтрансферазы тиопуринов).
Если же для терапевтического эффекта требуется активация лекарства в организме, которую обеспечивает кодируемый белок, то полиморфизм гена сопровождается снижением эффективности (например, значительные индивидуальные вариации анальгетического эффекта кодеина).
Однако результирующее действие лекарственных средств имеет, как правило, полигенную природу, то есть определяется взаимодействием нескольких генов. Допустим, один ген детерминирует инактивацию вещества и, следовательно, его концентрацию в плазме у конкретного индивидуума, другой ген - чувствительность мишени, а, следовательно, и величину реакции при данной концентрации вещества. Терапевтическое отношение эффективность/токсичность будет разным у пациентов, гетеро- и гомозиготных по каждой из двух аллелей.
Подобные генные взаимодействия весьма затруднительно прослеживать путём наблюдений только на уровне фенотипа (то есть по клиническим признакам), но благодаря методологии биоинформатики это стало реальным.
Необходимо иметь в виду, что изменения генов, кодирующих метаболические ферменты, далеко не всегда критически важны для нормального метаболизма эндогенных соединений, и в таких случаях выраженные варианты фармакологического фенотипа наблюдаются только на фоне провокации определёнными экзогенными веществами.
Однако некоторые генотипы метаболизма сказываются на фенотипе независимо от экзогенной провокации. Например, некоторые формы дефицита дигидропиримидиндегидрогеназы сопряжены с умственной отсталостью.
Кроме того, полиморфизмы генов, детерминирующих ферменты метаболизма ксенобиотиков, сопряжены с повышенным риском, например, с развитием некоторых видов рака, поскольку нарушается инактивация экзогенных или эндогенных мутагенных молекул.
В метаболизме ксенобиотиков участвуют многие ферменты, и каждый индивидуум представляет собой сочетание фенотипов метаболизирующих ферментов. Совпадение нескольких генных дефектов метаболизма, особенно когда одновременно присутствуют полиформизмы фармакологических мишеней, играет важную роль в проявлении идиосинкразии на некоторые лекарства.
Возможности индивидуального подхода к лекарственной терапии. Генные полиморфизмы могут стать одной из причин расхождения сведений о характере влияния лекарственных средств. Поэтому при разработке схем клинических испытаний лекарственных средств учитывается такой важный фактор, как расовый, этнический, популяционный состав сравниваемых групп испытуемых.
Генетический скрининг позволяет выявить мутации генов, продукты экспрессии которых играют ключевую роль в патогенезе определённых болезней. Если разработать препараты, действие которых направлено на соответствующие мишени, то можно предотвратить развитие заболевания у генетически предрасположенных индивидуумов. Это создаёт новые перспективы для превентивной медицины.
Фармакогеномика открывает возможности индивидуального подхода к лекарственной терапии. Традиционная стратегия фармацевтической индустрии состоит в создании препаратов, которые эффективны и безопасны для большинства людей в популяции (хотя, конечно, всегда отмечаются противопоказания в виде сопутствующих заболеваний, возможность взаимодействия с другими веществами и т. д.).
Разработка, производство, распространение лекарств, предназначенных для небольших групп больных, коммерчески невыгодны. Однако внедрение автоматизированных систем индивидуальной молекулярногенетической диагностики (с применением генных чипов) позволит направленно подбирать препараты и их дозы.
Примером может служить молекулярно-генетический подход к назначению химиотерапии больным острой лимфобластомой. Генотип острой лимфобластомы считается важным прогностическим фактором, определяющим интенсивность терапии. Кроме того, известны генные полиморфизмы ферментов метаболизма, существенно влияющие на эффективность и токсичность химиотерапевтических средств, применяемых при этой форме лейкоза.
Идентифицированы генные полиморфизмы цитокинов и других детерминантов чувствительности организма к патогенам, а также полиморфизмы клеточных рецепторов сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем, имеющие значение для индивидуальной токсичности химиопрепаратов. В итоге можно создать микрочип острой лимфобластомы, который поможет объективно и быстро назначить терапию для каждого больного.