影响美托洛尔治疗效果的药物基因组学研究进展

李树春，王 槐

（中央民族大学中国少数民族传统医学研究院公共卫生与遗传研究所，北京 100081）

自20世纪50年代开始，由原发性高血压及其他因素引发的心血管疾病已成为主要致死原因之一，严重威胁着人类的生命健康［1］。美托洛尔是心脏选择性β1肾上腺素受体（β1－adrenergic receptor，ADRβ1）阻断剂［2］，作为经典的治疗高血压及心血管疾病药物广泛应用于临床治疗。然而大量资料表明：美托洛尔的疗效显示出明显的个体差异性，临床较易发生药物不良反应。研究表明：药物临床反应个体差异与药物基因组学关系密切。药物基因组学是通过研究药物代谢、转运及药物作用受体相关基因单核苷酸多态性（SNP）对药物疗效的影响，开发新药、指导临床合理用药，从而提高药物的疗效及安全性的学科。药物基因组学研究［3］证明：药物代谢酶、药物受体及其下游蛋白基因的遗传变异是造成药物反应个体差异的主要因素。

美托洛尔经小肠吸收，随血流通过门静脉进入肝脏进行首过代谢，部分药物经药物代谢酶CYP2D6代谢为α－烃基美托洛尔，经由肾脏排出体外，其余则随血流进入体循环送达作用靶位—ADRβ1。美托洛尔与ADRβ1具有较强的亲和力，能取代神经递质和儿茶酚胺与之结合，从而阻断β受体的蛋白激酶A信号通路，抑制Ca2＋内流，保持细胞内Ca2＋浓度，使心肌收缩力减弱、心率减慢、排血量下降、血压降低，从而达到降血压和控制心血管疾病的目标。服药一段时间后，随着血液的交换美托洛尔不断被送至肝脏经CYP2D6及其他酶代谢成为α－烃基美托洛尔和O－去甲基美托洛尔，最后通过肾脏排出体外。因此，细胞色素酶CYP2D6基因、ADRB1基因和G蛋白基因的多态性是导致美托洛尔个体药物反应差异的主要因素。

1 ADRβ1基因多态性对美托洛尔疗效的影响

ADRβ1是美托洛尔的直接作用受体，分布于大部分交感神经节后纤维所支配的效应器细胞膜上，是儿茶酚胺受体之一。ADRβ1主要分布于心肌，受刺激激动后引起心率和心肌收缩力增加。ADRβ1阻断剂能与去甲肾上腺素能神经递质或肾上腺素受体激动剂竞争β受体，从而产生拮抗作用，并对心脏起到抑制作用，表现为心率减慢，心肌收缩力减弱，心输出量减少，心肌耗氧量下降。

人类ADRβ1蛋白由477个氨基酸残基组成，其编码基因位于10q24－26［4］。该基因有2个 SNPs位点，分别为145A－G突变导致编码蛋白49位由丝氨酸变为甘氨酸（Ser49Gly）；1165G－C突变导致编码蛋白389位由甘氨酸变为精氨酸（Gly389Arg）［5］。对有编码基因突变可能引起的功能改变，国内外学者进行了不同程度的研究。Mason等［6］进行了针对389位突变的离体实验，将Gly389－ADRB1和Arg389－ADRB1基因转染中国仓鼠成纤维细胞进行功能表达，结果显示：Arg等位基因较Gly389具有2倍以上的基础腺苷酸环化酶活性及3倍以上的激动剂介导的腺苷酸环化酶活性，初步证明Arg389可导致ADRB1活性升高。Liu等［7］进行在体实验，以中国健康男性青年为受试对象，采用美托洛尔干预1d后，检测心率及收缩压的改变，发现Arg389纯合子较Gly389纯合子变化更为显著，分析这可能与Gly389Arg突变导致受体敏感性增加有关。进一步针对高血压病患者的研究［8］表明：给予相同剂量的美托洛尔后，高血压患者血压下降幅度由高到低依次为Arg389Arg型、Gly389Arg型和Gly389Gly型，差异有统计学意义。李莹等［9］在研究美托洛尔降压疗效差异时也证实了这一结论。因此，可以说明ADRB1基因G1165C基因型是影响美托洛尔疗效的因素之一。

相对G1165C而言，A145G多态性对美托洛尔疗效的影响尚不明确。一方面，Evans等［10］通过转染人胚细胞实验发现：Gly49－ADRB1无论基础水平还是异丙肾上腺素作用下的腺苷酸环化酶活性均显著高于Ser49－ADRB1；Johnson等［4］通过美托洛尔干预实验也发现：携带Arg389和Ser49等位基因的患者较携带Gly389和Gly49的患者降压疗效明显，具有Ser49Arg389／Ser49Arg389基因型个体较Gly49Arg389／Ser49Gly389基因型个体有更好的降压效果。另一方面，Holtbecker等［11］则认为145位点3种基因型的受体对激动剂的亲和力以及激动剂引起的腺苷酸环化酶活性均无差异，因而与高血压发病和治疗无关，同时，牛永红等［12］在探讨Ser49Gly多态性在原发性高血压发病机制作用时也得出了相似结论。

2 CYP2D6基因多态性对美托洛尔疗效的影响

美托洛尔主要在肝脏通过CYP2D6进行氧化代谢，是CYP2D6的代谢底物，给药剂量10%的美托洛尔完全由CYP2D6进行烃基化作用代谢为α－烃基美托洛尔，而65%的美托洛尔则由CYP2D6脱甲基作用和其他酶的催化代谢为O－去甲基美托洛尔［13］。因此，CYP2D6基因多态性是引起美托洛尔血药浓度个体差异的关键因素。

CYP2D6是细胞色素氧化酶P450酶系中的一个重要成员，代谢了临床上20%～25%的处方药物［14］。CYP2D6基因是第1个被发现具有多态性的药物代谢酶基因，也是最具多态性的药物代谢酶基因［15］，目前已经发现并命名了70多个等位基因［16］。CYP2D6基因位于22号染色体上（22q13.1），含有9个外显子，总长达7000bp，其编码的蛋白质由497个氨基酸残基组成，其相对分子质量为51000，主要分布在肝脏、大脑、心肌及小肠中。

CYP2D6基因突变的发生主要是因碱基的缺失、插入或替换引起了读码框架移位，甚至是大片段基因的丢失以及基因的复制或扩增［17］，根据其代谢表型可分为超快代谢型、强代谢型、中间代谢型和弱代谢型。常见CYP2D6等位基因在不同人群的分布频数［18］见表1。

表1 常见CYP2D6等位基因在不同人群的分布频数Tab.1 The distribution frequencies of common CYP2D6 allele in different population

分析各等位基因对美托洛尔药代动力学的影响发现：携带CYP2D6＊2的中国人群对于美托洛尔的药代动力学过程无影响，而CYP2D6＊10纯合子变异比杂合子变异对美托洛尔药代动力学的影响较大，且呈现基因与剂量相关效应，特别是CYP2D6＊10可以使心律不齐患者体内美托洛尔血药浓度升高［19］，但高血压患者血压降低程度在CYP2D6＊1＊1、＊1＊10、＊10＊10间却无差异，说明CYP2D6＊10突变可显著改变美托洛尔的药代动力学，但对其降压疗效无显著影响。在韩国人群中，CYP2D6＊10组美托洛尔的血药浓度的AUC、最大血浆浓度Cmax、消除半衰期T1／2与CYP2D6＊1／＊1组均有着显著差异，而携带CYP2D6＊10／＊10者的美托洛尔的口服清除率比CYP2D6＊1／＊1低40%［20］。

3 G蛋白基因多态性对美托洛尔疗效的影响

G蛋白又称鸟苷酸调节蛋白，是肾上腺素受体的下游蛋白，位于细胞膜内侧，与胞膜外侧的受体及胞内效应蛋白偶联，在信号传递过程中起中介和转换作用。当G蛋白结构、含量和功能异常时，可以放大或缩小神经递质和激素的效应［21］。G蛋白由α、β和γ3个亚单位构成，在非活性状态下α、β和γ构成复合体，Gα与GDP联接，一旦G蛋白的偶联受体与配体相结合，GDP被GTP取代，Gα与Gβγ复合体分离，并作用于效应蛋白。目前研究发现编码G蛋白α亚单位（GNAS1）及β3亚单位（GNB3）的基因多态性与高血压及心血管疾病有关［22］。

3.1 GNβ3基因多态性的相关影响 GNB3基因位于染色体12q13，长约7500bp，由11个外显子和10个内含子组成，编码340个氨基酸，相对分子质量为37000［23］。研究［24－25］发现：GNB3基因存在多种多态性，其中最常见的为C825T多态性。常见GNB3等位基因在不同人群的分布频数［26］见表2。

表2 常见GNB3等位基因在不同人群的分布频数Tab.2 The distribution frequencies of common GNB3allele in different population

GNB3基因C825T多态性为GNB3基因转录mRNA核苷酸序列第498～620位碱基缺失，导致第3个WD结构中后4个氨基酸及第4个WD结构中的前37个氨基酸缺失，最终形成的G蛋白复合体比野生型G蛋白复合体的活性更高［27］。

GNB3C825T不仅可能参与原发性高血压的发生机制，而且可能会对降压药物的降压效果产生影响［22］。韩璐璐等［28］在研究GNB3基因C825T基因多态性与美托洛尔药效学关系时发现：GNB3C825T基因多态性与美托洛尔治疗后叶尖收缩压及舒张压下降有关，其中CC型下降最多，CT型次之，TT型最小。并且由于ADRβ1基因G1165C突变位于与G蛋白偶联的重要区域，因此ADRβ1基因G1165C突变还与GNB3C825T联合影响美托洛尔心血管效应［29］。

3.2 GNAS1基因多态性的相关影响 GNAS1基因定位于染色体20q13.2－13.3［30］，GNAS1基因 T393C多态性为编码GNAS1基因的第5外显子393位点，存在1个无义突变（ATT－ATC），产生1个Fok1酶多态性位点，该多态性位点与原发性高血压及ADRB1阻滞剂的疗效相关［31］。

在中国健康人群中，GNAS1第393位突变等位基因C的发生频数为34.9%，其基因型频数符合Hardy－Weinberg平衡。与日本人群比较，其基因型和等位基因频数差异无统计学意义，与白种人比较则显著降低，与黑种人比较其基因型频数差异有统计学意义［31］。研究［32－33］显示：β受体阻滞药对T393C基因型人群有显著降压作用，但对美托洛尔的具体影响尚不明确，谭珍妮［30］在对318例特发性室性早搏患者进行临床研究时发现：ADRβ1阻滞剂对CC基因型人群疗效较为明显。

4 讨 论

药物在体内通过吸收、分布、代谢和排泄4个过程发挥药效，每个过程主要功能蛋白的改变均会对其药效的发挥产生影响。对美托洛尔而言，药物作用靶点ADRβ1、G蛋白和代谢酶CYP2D6是决定其药效的关键功能蛋白，这些蛋白基因的遗传多态性决定了美托洛尔药物疗效的个体差异。

综合分析目前的研究结果，可将这些基因分成两类：一类决定药物代谢动力学，主要为CYP2D6基因，其多态性可影响血药浓度，延长或缩短药物作用时间，但与美托洛尔的各种效应无关；另一类影响药效学，包括ADRβ1基因和G蛋白基因，其多态性直接影响美托洛尔的疗效。因此，虽然多种基因多态性均对美托洛尔的疗效产生影响，但比较而言，ADRβ1和G蛋白基因是影响美托洛尔个体间疗效差异的决定因素。

与其他药物相类似，在美托洛尔疗效上的个体差异由多种因素共同决定，除遗传因素外，性别、年龄、体质量、血浆肾素活性、个体器官功能及药物间相互作用均可能成为影响美托洛尔代谢和疗效的因素［34］。在讨论单一因素所引起的效应时，应该同时综合其他因素共同分析。随着研究的不断推进，药物基因组分析可能成为指导合理使用美托洛尔的有效策略。

［1］刘力生.中国高血压防治指南［M］.3版.北京：人民卫生出版社，2010：12.

［2］Walash MI，Belal FF，El－Enany NM，et al.Synchronous fluorescence spectrofluorimetric method for the simultaneous determination of metoprolol and felodipine in combined pharmaceutical preparation［J］.Chem Cent J，2011，5（1）：70.

［3］Evans WE，Relling MV.Pharmacogenomics：translating functional genomics into rational therapeutics ［J］.Science，1999，286（5439）：487－491.

［4］Johnson JA，Zineh I，Puckett BJ.Beta 1－adrenergic receptor polymorphisms and anti－hypertensive response to metoprolol［J］.Clin Pharmacol Ther，2003，74（3）：44－52.

［5］Kyungsoo P，Seong BJ，Tae DK，et al.The effect of beta1－adrenergic receptor gene polymorphism on prolongation of corrected QT interval during endotracheal intubation under sevoflurane anesthesia ［J］.Korean J Anesthesiol，2011，61（2）：117－121.

［6］Mason DA，Moare JD，Green SA，et al.A gain－of－function polymorphism in a G－protien coupling domain of the human betal－adrenergic receptor［J］.J Biol Chem，1999，274（18）：12670－12674.

［7］Liu J，Liu ZQ，Tan ZR，et al.Gly389Arg polymorphism of betal－adrenergic receptor is associated with the cardiovascular response to metoprolol［J］.Clin Pharmacol Ther，2003，74（4）：372－379.

［8］Liu J，Liu ZQ，Yu BN，et al.Betal－Adrenergic receptor polymorphisms influence the response to metoprolol monotherapy in patients with essential hypertension［J］.Clin Pharmacol Ther，2006，80（1）：23－32.

［9］李 莹.美托洛尔降压疗效差异相关机制的临床与基础研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［10］Evans WE，Meleod HL.Pharmacogenomics－drug disposition，drug targets，and side effects［J］.N Engl J Med，2003，348（6）：538－549.

［11］Holtbecker N，Fromm MF.Kroemer for induction of gut wall metabolism［J］.Drug Metab Dispos，1997，25（9）：1107－1109.

［12］牛永红，马厚勋，李章勇，等.β1肾上腺能受体基因Ser49Gly多态性与原发高血压 相关性研究［J］.高血压杂志，2003，11（5）：440－442.

［13］翟晓艳，崔 炜，张亚楠，等.国人CYP2D6＊10基因多态性研究［D］.石家庄：河北医科大学，2010，31（2）：128－131.

［14］Gaedigk A，Frank D，Fuhr U.Identification of a novel nonfunctional CYP2D6allele，CYP2D6＊69，in a Caucasian poor metabolizer individual［J］.Eur J Clin Pharmacol，2009，65（1）：97－100.

［15］van Schaik RH.CYP450pharmacigeneties for personalizing cancer therapy［J］.Drug Resist Updat，2008，11（3）：77－98.

［16］Zanger UM，Turpeinen M，Klein K，et al.Functional pharmacogenetics／genomics of human cytochromes P450 involved in drug biotransformation［J］.Anal Bioanal Chem，2008，392（6）：1093－1108.

［17］De Gregori M，Allegri M，De Gregori S，et al.How and why to screen for CYP2D6interindividual variability in patients under pharmacological treatments ［J］.Curr Drug Metab，2010，11（3）：276－282.

［18］朱志慧，李树春，徐斯凡.药物代谢酶CYP2D6基因多态性及表型的研究进展［J］.国际遗传学杂志，2009，32（5）：354－359.

［19］李 芹，王 睿，郭 雅.中国人群CYP2D6基因多态性对美托洛尔药代动力学的影响［J］.中国临床药理学与治疗学，2008，13（7）：796－802.

［20］Jin SK，Chung HJ，Chung MW，et al.Influence of CYP2D6＊10on the pharmacokinetics of metoprolol in healthy Korean volunteers［J］.J Clin Pharm Ther，2008，33（5）：567－573.

［21］张武德，阎 炜.G蛋白β3亚单位基因多态性与高血压及肥胖的关系［J］.兰州医学院学报，2003，29（3）：62－64.

［22］Li DB，Hua Q.The relationship between hypertension，hypertension treatment and polymorphism of GNB3gene［J］.J Med Postgrad，2003，16（9）：692－695.

［23］Rosskopf D，Bush S，Maanthey I，et al.G proteinβ3gene，structure，promoter，and additional polymorphisms［J］.Clin Exp Hypertens，2000，36（1）：33－41.

［24］Sondek J，Bohm A，Lambright DG，et al.Crysial structure of a GA proteinβγdimer at 2.1Aresolution［J］.Nature，1996，379（6563）：369－374.

［25］Levine MA，Smallwood PM，Moen PT，et al.Molecular cloning of beta 3subunit，a third form of the G protein betasubunit polypeptide［J］.Proc Nail Acad Sci USA，87（6）：2329－2333.

［26］穆叶赛.GNB3基因多态性与心血管病研究进展［J］.新疆医学，2008，38（6）：100－106.

［27］Siffert W，Rorester P，Jockel KH，et al.Wordwide ethnic distribution of the G protein beta3subunit 825Tallele and its association with obesity in Caucasian，Chinese and Black African individuals［J］.J Am Soc Nephrol，1999，10（9）：1921－1930.

［28］韩璐璐，李 娜，蒋雄京，等.CNB3基因C825T多态性与美托洛尔药效的相关性研究［J］.中国新药杂志，2010，19（9），762－765，768.

［29］黄海英.ADRB1G1165C基因多态性与GNB3C825T联合突变对美托诺尔心血管效应的影响［D］.长沙：中南大学，2008.

［30］谭珍妮.GNAS1基因T393C单核苷酸多态性与特发性室性早搏及β－Blockade对其药效学的相关性研究［D］.广州：南方医科大学，2010.

［31］Kaderi MA，Murray F，Jansson M.The GNAS1T393C polymorphism and lack o clinical prognostic value in chronic lymphocytic leukemia［J］.Leuk Res，2008，32（6）：984－987.

［32］Trotta R，Donati MB，Iacoviello L.Trends in pharmacogenomics of drugs acting on hypertension ［J］.Pharmacol Res，2004，49（4）：351－356.

［33］Jia H，Hingorani AD，Sharma P，et al.Association of the G（s）alpha gene with essential hypertension and response to beta－blockade［J］.Hypertension，1999，34（1）：8－14.

［34］Ye HB，Zheng H，Zhang XA，et al.Population pharmacokinetic modeling and evaluation of propofol from multiple centers［J］.Acta Pharmaceut Sin，2010，45（12）：1550－1558.