4.5. Фармакогенетика и экогенетика 4.5.1. Фармакогенетика

Развитие биохимической генетики человека, обнаружение наследственных дефектов ферментов, привели к возникновению новой отрасли генетики - фармакогенетики. Еще Гэррод, основатель биохимической генетики человека [75] (разд. 1.5), и известный английский генетик Холдейн [87] отмечали, что необычные реакции на лекарственные препараты и пищевые продукты могут объясняться биохимической индивидуальностью людей. Действительно, в 50-е годы было показано, что некоторые аномальные реакции, связанные с применением лекарств, обусловлены различиями в свойствах ферментов. Так, гемолитическая анемия, которая встречается у некоторых людей при употреблении в пишу бобов, а также при действии различных лекарств, в действительности объясняется недостаточной активностью глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы (G6PD) (разд. 4.2.2.2). Было установлено, что с одним из вариантов псевдохолинэстеразы [1195; 1152] связана длительная задержка дыхания после введения суксаметониума - препарата, который широко применяется для релаксации мышц во время хирургических операций. Выяснилось, что значительная вариабельность уровня изониазидгидразина в крови обусловлена генетически детерминированными различиями в активности ацетилтрансферазы у разных индивидов [1073].

Эти факты побудили одного из авторов этой книги (А. Мотульски) высказать предположение о том, что аномальная реакция на лекарственные препараты иногда может быть связана с наследственной ферментативной недостаточностью [1222]. Другой автор (Ф. Фогель) первым предложил термин «фармакогенетика» [1337].

Система G6PD (30590). Эта система уже обсуждалась в разд. 4.2. Ген, контролирующий синтез этого фермента, локализован в Х-хромосоме, поэтому гемолитические реакции на лекарственные препараты, обусловленные недостаточностью G6PD, проявляются главным образом у мужчин. У гетерозиготных женщин часто регистрируется промежуточный уровень активности фермента, причем у некоторых гетерозигот он приближается к нормальному, а у некоторых - к уровню, характерному для больных (рис. 4.6) [1234]. В крови таких гетерозигот присутствуют две популяции эритроцитов - нормальная и мутантная. Количественное соотношение между ними обычно близко к 1:1, но может и варьировать в отдельных случаях от 1:99 до 99: 1 [999]. Частота встречаемости G6PD-зависимой реакции на некоторые лекарства у женщин зависит от частоты соответствующего аллеля в популяции и от степени

4 Действие генов 109

инактивации Х-хромосомы, которая определяется количественным соотношением нормальных и дефектных по G6PD клеток. Среди женщин с клиническими формами недостаточности, лишь незначительная часть приходится на гомозигот, в основном это гетерозиготы, у которых преобладают мутантные клетки с низким уровнем фермента. Различные лекарственные препараты с возможным гемолитическим эффектом также различаются по их потенциальной способности вызывать нарушения в крови.

Установлена связь некоторых распространенных вариантов G6PD с гемолитической реакцией (табл. 4.4). Показано, что помимо лекарственных препаратов, гемолиз может вызываться бактериальной или вирусной инфекцией, проявляться при желтухе новорожденных, когда печень еще не способна перерабатывать билирубин (продукт метаболизма гемоглобина), который выделяется при гемолизе.

Наиболее тяжелая форма гемолиза детерминируется такими мутантными формами G6PD, как Mediterranean и Canton (табл. 4.4). Для этих случаев характерно не только уменьшение активности, но и нестабильность молекул фермента [1146]. При распространенном типе недостаточности G6PD, характерном для лиц африканского происхождения, молодые эритроциты, возраст которых составляет менее 60 дней (продолжительность жизни нормального эритроцита составляет 120 дней), содержат достаточные количества фермента, а характерная для этого заболевания нестабильность фермента проявляется только в старых эритроцитах. В этом случае происходит лишь ограниченный гемолиз и летальные исходы почти не наблюдаются.

При более тяжелом гемолизе, который характерен для средиземноморского варианта, исход может быть и фатальным. Этот вариант отличается от недостаточности африканского типа также тем, что обусловленный им гемолиз индуцируется большим числом лекарственных препаратов. Для большинства других форм фермента данные о спектре потенциально опасных препаратов еще не получены.

Варианты псевдохолинэстеразы [1104]. Препарат суксаметониум, или сукцинилдихолин, широко применяется в качестве релаксанта мышц при хирургических операциях. Фермент превдохолинэстераза катализирует гидролиз препарата, благодаря чему в норме его действие непродолжительно. У редко встречающихся больных этот фермент обладает очень низким сродством к препарату, что приводит к длительной задержке дыхания вследствие подавления деятельности дыхательных мышц. В таких случаях в течение многих часов, пока пациенту не введут очищенный фермент или плазму, содержащую активную псевдохолинэстеразу, приходится прибегать к искусственному дыханию. Причиной ненормального метаболизма препарата служат различные мутации как в гетерозиготном, так и в компаунд-гетерозиготном состоянии, изменяющие активный центр псевдохолинэстеразы, которая в этих случаях не способна эффективно гидролизовать субстрат. Наиболее часто встречается мутантный аллель СНЕ₁^D. Аллель, кодирующий нормальную псевдохолинэстеразу, обозначают СНЕ₁^U. Примерно 3-4% людей европейского происхождения являются гетерозиготами ( СНЕ₁^U/СНЕ₁^D), а один из каждых 3500 индивидов - гомозиготой по мутантному аллелю. Вместе они составляют группу риска по продолжительной задержке дыхания при введении суксаметониума. Измененный фермент обычно идентифицируют in vitro по его устойчивости к ингибитору дибукаину. У мутантных гомозигот фермент относительно устойчив к дибукаину, гетерозиготы проявляют промежуточную устойчивость (табл. 4.21). Другой аллель псевдохолинэстеразы ( СНЕ₁^S) обусловливает полное отсутствие активности этого фермента. Гомозиготы по этому аллелю ( СНЕ₁^S/ / СНЕ₁^S) очень чувствительны к действию суксаметониума, так как в плазме крови этих больных псевдохолинэстеразы нет. Аллель СНЕ₁^S распространен среди эскимосов Аляски. Еще один мутантный аллель (СНЕ₁^F) детерминирует устойчивость к фториду. Обычно в качестве субстрата при исследованиях псевдохолинэстеразы применяют бензоилхолин. Однако у некоторых

110 4. Действие генов

Таблица 4.21. Типы псевдохолинэстеразы и чувствительность к суксаметониуму
Генотип	Активность	Дибукаиновое число	Фторидное число	Частота фенотипа в европейских популяциях1'	Чувствительность к суксаметониуму
CHE1U/CHE1U	Нормальная	80	59	95%	Нет
CHE1D/CHE1D	Умеренно снижена	22	27	1:3200	+ + +
CHE1S/CHE1S	Отсутствует	0	0	1:170 000	+ + + +
CHE1F/CHE1F	Немного снижена	66	35	1 :28 000	+ +
CHE1D/CHE1S	Снижена	22	27	1:11000	+ + +
CHE1D/CHE1F	Немного снижена	49	33	1:2500	+ + +
CHE1F/CHE1S	»	67	43	1:33 000	+ +
CHE1U/CHE1D	»	62	48	3,5%	( + )
CHE1U/CHE1F	»	74	50	1,2%	( + )
CHE1U/CHE1S	»	80	59	1:200	Неизвестна
1) Приводится исходя из частот 3,5% для атипичного аллеля, 1,2% для устойчивого к фториду аллеля и 0,5% для «молчащего» аллеля. Частоты гомо- и гетерозигот рассчитаны с помощью экстраполяции теоремы Харди—Вайнберга на множественные аллели (По Technical reports series № 524 Geneva 1973 [969])

больных с длительной задержкой дыхания нарушение фермента удается обнаружить только тогда, когда для этого используют непосредственно сукцинилдихолин [1103].

Варианты ацетилтрансферазы [1062; 1204, 1271]. Многие лекарственные препараты ацетилируются в печени ферментом N-ацетилтрансферазой. В число этих препаратов входят изониазидгидразин, фенелзин, дапсон, салицилазосульфопиридин, сульфаметазин, нитрозепам, гидролазин и прокаинамид. Разные индивиды отличаются по способности ацетилировать контрольный препарат, например изониазидгидразин или сульфаметазин, при введении in vivo. Приблизительно 50% европейцев и африканцев инактивируют препарат медленно, тогда как 80-90% жителей Азии - быстро. Семейный анализ показал, что люди, медленно инактивирующие препараты, лишены активности ацетилазы, а быстро инактивирующие обладают одной или двумя копиями гена, который кодирует ацетилтрансферазу. Точный биохимический механизм, отвечающий за полиморфизм N-ацетилтрансферазы, не установлен. Тесты для оценки ацетилирования in vitro в настоящее время не разработаны, вот почему, чтобы выяснить способность конкретного человека осуществлять ацетилирование, ему приходится вводить контрольный препарат. С этой целью можно с успехом использовать кофеин в стандартной дозировке, которая эквивалентна его содержанию в чашке кофе, поскольку основной продукт ацетилирования кофеина (5-ацетиламино6-формиламино-3-метилурацил) выделяется с мочой только у людей, способных к быстрой инактивации препаратов [1113]. Среди клинических последствий полиморфизма способности к ацетилированию следует отметить большую частоту полинейропатии в ответ на изониазидгидразин среди «медленно инактивирующих». Побочные эффекты, подобные явлениям при волчанке, чаще встречаются у «медленно инактивирующих» при действии гидролазина и прокаинамида. У «медленно инактивирующих» сильнее выражены гематологические эффекты дапсона и салицилазосульфопиридина. Возможно, «быстро инактивирующим» требуется вводить более высокие дозы различных препаратов для достижения требуемого терапевтического эффекта. Высказывались также предположения о том, что изониазидгидразин является у «быстрых инактиваторов» токсичным для печени, так как ацетилизониазид более токсичен для печени, чем изониазидгидразин [1280].

4. Действие генов 111

Кривые распределения и действие генов. При моногенном типе наследования должны наблюдаться качественные различия между продуктами нормального и мутантного генов. Если есть возможность производить измерение на уровне продукта гена, то при графической обработке результатов обычно удается идентифицировать различные генетические классы в виде отдельных мод на кривой распределения. Кривая распределения активности G6PD у мужчин с нормальной активностью и с дефектом этого фермента имеет две неперекрывающиеся моды. Все три генетических класса вариантов псевдохолинэстеразы можно легко идентифицировать в опытах со специфическими ингибиторами. Этот метод

Рис. 4.67. Распределение уровней активности холинэстеразы сыворотки у 11 людей с необычайно высокой чувствительностью к суксаметониуму и 58 их родственников (Harris et al., 1960). Каждый квадратик соответствует одному человеку; суксаметониум-чувствительные индивиды выделены черным цветом А. Распределение активности холинэстеразы сыворотки. Активность фермента определяли манометрическим методом с использованием в качестве субстрата ацетилхолина. Б. Распределение активности у лиц, отнесенных к обычному фенотипу. В. Распределение активности у лиц, имеющих промежуточный фенотип. Г. Распределение активности у лиц, имеющих атипичный фенотип. Обратите внимание, что распределение А является суммой распределений Б, В и Г.

позволяет получить прямые качественные данные о природе мутации. Однако, если измеряется уровень псевдохолинэстеразы в крови, а не характер ее ингибирования, различить три класса вариантов столь же просто не удается, поскольку между нормальными гомозиготами и гетерозиготами и между гетерозиготами и мутантными гомозиготами наблюдается перекрывание (рис. 4.67).

Эти данные показывают, что мультимодальную кривую распределения можно рассматривать как свидетельство моногенного наследования признака. Однако, если об активности мутантного гена судят не по его первичному продукту, на результаты будут влиять другие генетические факторы и факторы среды, что в конечном счете может обусловить мономодальный характер кривой. Поскольку мономодальная форма кривой обычно интерпретируется как доказательство полигенного определения признака (разд. 3.6), в тех случаях, когда в распоряжении исследователей имеются только данные о распределении частот, выводы о механизме наследования следует делать с осторожностью.

Полиморфизм по реакции на дебрисохин и спартеин [971; 1072, 1305]. Распространенный полиморфизм, проявляющийся у 5-8% европейцев и африканцев, связан с дефектом окисления ряда лекарственных препаратов (табл. 4.22). Он был обнаружен независимо при изучении действия антигипертензивного препарата дебрисохина, имитирующего окситоцин, и антиаритмического препарата спартеина. Индивиды, способные быстро окислять эти препараты, могут быть как нормальными гомозиготами, так и гетерозиготами, тогда как медленное окисление свойственно лишь мутантным гомозиготам. Точная биохимическая природа полиморфизма не установлена, однако имеются надежные данные в пользу того, что изменен компонент системы цитохрома Р-450 печени (эта система участвует в метаболизме соединений, поступающих извне) [1050; 1219; 1258]. К сожалению, в настоящее время выявить окислительный полиморфизм in vitro невозможно. Для определения окислительно-

112 4. Действие генов

Таблица 4.22. Полиморфизм по спартеину/дебрисохину: патологические реакции у людей с «медленным» метаболизмом [1071]
Препарат	Реакция
Дебрисохин	Пониженное давление
Спартеин	Усиленное действие, имитирующее окситоцин, и сердечная недостаточность
Фенацетин	Метгемоглобинемия
Фенформин	Молочный ацидоз
Пергексилин	Периферическая нейропатия и агранулоцитоз
Каптоприл	Агранулоцитоз
D-Пеницилламин	Протеинурия и тромбоцитопения
Нортриптилин	Пониженное давление
Гуаноксан	Пониженное давление
Метиамид	Агранулоцитоз
Энкаинид	Препарат не действует: активен только препарат, подвергшийся метаболизму
β-блокаторы
Пропранолол	Брахикардия и пониженное давление
Метопролол	»
Тимолол	»
Алпренолол	»
Буфуралол	»

го статуса индивида необходим прием внутрь контрольного препарата и анализ его метаболизма в моче (т.е. определение соотношения 4-оксидебрисохина к дебрисохину). В настоящее время исследуется вклад этого полиморфизма в побочное действие так называемых бета-блокаторов [1051].

Полиморфизм по способности окислять мефенитоин [1353]. Показано, что окисление противосудорожного препарата мефенитоина контролируется отдельным геном, не сцепленным с полиморфизмом по реакции на дебрисохин. Относительно высокая частота побочных эффектов мефенитоина обусловлена, вероятно, тем, что 2-5% людей не способны окислять этот препарат. Окисление мефенитоина (дилактин), по-видимому, контролируется белковым продуктом этого же полиморфного гена.

Другие моногенные фармакогенетические признаки. Известен ряд других важных с точки зрения фармакогенетики состояний, которые наследуются как простые менделевские признаки. Они перечислены в табл. 4.23.

Таблица 4.23. Моногенные фармакогенетические признаки
Энзиматические или метаболические аномалии	Результат и/или заболевание
А. Хорошо изученные признаки (см. текст)
а) Часто встречающиеся признаки
Некоторые варианты G6PD	Гемолиз
Полиморфизм по N-ацетилтрансферазе	Понижено ацетилирование ряда препаратов (см. текст)
Слабое окисление (дебрисохин/спартеин)	Неспецифические реакции на многие препараты (см. табл. 4.22)
б) Редкие признаки
Варианты псевдохолинэстеразы	Продолжительная задержка дыхания под действием суксаметониума
Нарушение метаболизма кальция	Злокачественная гипертермия после ингаляционной анестезии
Некоторые нестабильные гемоглобины	Гемолиз
Различные порфирии	Ряд препаратов усиливает симптомы заболевания
Недостаточность метгемоглобин-рсдуктазы	Цианоз, вызываемый некоторыми препаратами-окислителями
Б. Менее полно изученные признаки
Полиморфизм по параоксоназе	Люди с пониженной активностью фермента (~50%) более подвержены отравлению паратионом
Слабое окисление мефенитоина	Тяжелые побочные эффекты мефенитоина
Полиморфизм по тиопурин-метилтрансферазе (цитозоля) [1354]	Неэффективность тиопуриновых препаратов (например, меркаптопурина)
Полиморфизм по катехол-0-метилтрансферазе [2239; 1468]	Неэффективность L-допа и α-метилдопа
Недостаточность эпоксидгидролазы [1311]	Гепатотоксичность фенитоина

4 Действие генов 113

Таблица 4.24. Результаты измерений скорости метаболизма лекарственных препаратов или стационарного уровня препаратов у близнецов [1270]
Препарат	Авторы, число пар близнецов	Измеренный параметр	Диапазон изменений	rМЗ3)	rДЗ 3)	h22 4)
Антипирин 18мг/кг (одной дозой, перорально)	Vesell and Page (1968) 9МЗ, 9ДЗ	Время полураспада в плазме (ч)	5,1-16,7	0,93	-0,03	0,99
Фенилбутазон 6 мг/кг (одной дозой, перорально)	Vesell and Page (1968) 7M3, 7ДЗ	Время полураспада в плазме (дни)	1,2-7,3	0,98	0,45	0,99
Дикумарол 4 мг/кг (одной дозой, перорально)	Vesell and Page (1968) 7M3, 7ДЗ	Время полураспада в плазме (ч)	7,0-74,0	0,99	0,80	0,98
Галотан 3,4 мг (одной дозой, внутривенно)	Cascorbi et al. (1971) 5M3, 5ДЗ	Выделение с мочой трифторацетата натрия за 24 ч	2,7-11,4	0,71	0,54	0,63
Этанол 0,5 г/кг (одной дозой, перорально)	Luth (1939) 10M3, 10ДЗ	β60 (мг/мл-ч) 1) СДЭ (мг/кг • г) 2)	0,051-0,141 50,00 109,63	0,64 0,77	0,16 0,45	0,63 0,67
1 мл/кг (одной дозой, перорально)	Vesell et al. (1971) 7M3, 7ДЗ	β60 (мг/мл-ч) 1)	0,11-0,24	0,98	-0,38	0,98
1,2 мл/кг (одной дозой, перорально)	Kopun and Propping (1977) 19M3, 21ДЗ	Скорость всасывания (мг/мл • 30 мин)	0,20-1,12	0,56	0,27	0,57
Дифенилгидантоин 100 мг (одной дозой, внутривенно)	Andreasen et al. (1973) 7M3, 7ДЗ	Время полураспада в сыворотке (ч)	7,7-25,5	0,92	0,14	0,85
Литий 300 мг/12 ч (в те-	Dorus et al (1975) 5M3, 5ДЗ	Концентрация в плазме (м-экв/л)	0,16 0,38	0,94	0,61	0,86
чение 7 дней, перорально)		Концентрация в эритроцитах (м-экв/л)	0,050-0,102	0,98	0,71	0,83
		Соотношение концентраций эритроцитов и плазмы (через каждые 3 дня после введения)	0,18-0,56	0,84	0,62	0,92
Амобарбитал 125 мг (одной	Endrenyi et al., (1976)	Скорость осветления плазмы (мл/мин)	16,0-67,2	0,87	0,55	0,83
дозой, внутривенно)	7M3, 7ДЗ	Скорость очистки в пересчете на вес 1/(кг • ч)	1,76-6,16	0,92	0,60	0,80
		Константа скорости выведения (ч–1)	2,09-8,17	0,93	0,03	0,91
Нортрипгилин 0,6 мг/кг в день (в течение 8 дней) перорально	Alexanderson et al. (1969) 19M3, 20ДЗ	Стационарный уровень в плазме (нг/мл)	8-78	Опубликованные данные не позволяют произвести такой расчет, но МЗ близнецы гораздо более сходны, чем ДЗ

114 4 Действие генов

			Продолжение табл. 4.24
Препарат	Авторы, число пар близнецов	Измеренный параметр	Диапазон изменений	rМЗ	rДЗ3)	h22 4)
Салицилат натрия 40 мг/кг (одной дозой, внутривенно)	Furst et al. (1977) 7МЗ, 7ДЗ	Скорость распада салицилата в сыворотке (мг/дл • ч)	0,64-1,02	0,64	0,32	0,86
Аспирин 65 мг/кг в день	См. Propping [1270]	Уровень салициловой кислоты в сыворотке	11,9-36,4	0,90	0,33	0,98
(в течение 3 дней) перорально)		Стационарная скорость выделения салицилмочевой кислоты (мг/кг • ч)	0,84-1,91	0,94	0,76	0,89

Мультифакториальная фармакогенетика. В ряде исследований, основанных на близнецовом методе, было продемонстрировано, что генетические факторы играют существенную роль в определении времени полураспада лекарственных препаратов. Во всех опытах, когда препарат вводили монозиготным и дизиготным близнецам, время полураспада различалось гораздо меньше для монозиготных близнецов [1335; 1270]. Расчеты коэффициента наследуемости, основанные на подобных данных, показали, что генетические факторы вносят большой вклад в общий размах времени полураспада препаратов, в некоторых случаях он оценивается в 99% (табл. 4.24).

Если препарат исследовать на большой выборке из нормальной популяции, наблюдается значительная вариабельность уровня препарата в крови. И хотя на этот показатель влияют различные факторы, решающую роль играют различия в метаболизме препаратов. Время полужизни (или устойчивый уровень препарата) является более или менее постоянным для индивида и, согласно результатам исследований на близнецах, контролируется в основном генетическими факторами. Биохимические механизмы конкретных реакций метаболизма препаратов в настоящее время не установлены. Вариации времени полураспада для большинства препаратов могут быть представлены в виде колоколообразной кривой Гаусса (рис. 4.68). После введения средней дозы препарата у определенной части популяции (по обе стороны от моды) в организме устанавливается либо слишком высокий, либо слишком низкий уровень препарата. С одной стороны, при высоком уровне препарата это может приводить к токсичности, а с другой, при низком уровне - к отсутствию терапевтического эффекта. После того как было доказано, что генетические факторы играют заметную роль в метаболизме большинства лекарственных препаратов, фармакогенетика из узкой области знаний о необычных реакциях на препараты превратилась в центральную дисциплину фармакологии и терапии [1229].

Фармакогенетическая вариабельность на уровне отдельных органов. Генетическая вариабельность на уровне отдельных органов уже рассматривалась при обсуждении дефекта G6PD в эритроцитах. Действие алкоголя на мозг будет обсуждаться в разд. 8.2.3.5. Кроме того, побочные эффекты некоторых психотропных препаратов также обусловлены генетически [1271]. Напри-

4. Действие генов 115

Рис. 4.68. Постоянная концентрация препарата в плазме и биологический эффект.

мер, при лечении фенотиазином может развиться болезнь Паркинсона, причем риск заболевания втрое выше у людей, родственники которых больны паркинсонизмом [1272]. «Тардивная дискинезия», выражается в ненормальных и неконтролируемых движениях, нередко встречается у больных, получающих психофармакологические препараты; при этом наблюдается значительная внутрисемейная корреляция. Подобная терапия оказывает воздействие на работу нейромедиатора дофамина (разд. 8.2.3.6). Поэтому интересно, что при действии нейролептиков в хвостатом ядре крыс возрастает количество дофаминовых рецепторов, отдельные линии животных различаются по этому признаку. Шизофрения у людей может быть вызвана такими препаратами, как ЛСД, амфетамин и даже злоупотреблением алкоголем (алкогольные галлюцинации). Случаи заболевания шизофренией отмечаются значительно чаще у прямых родственников лиц, уже страдающих этим заболеванием.

Редкое, но опасное осложнение общей анестезии - злокачественная гипертермия - часто бывает связана с повышенной мышечной ригидностью. Примерно у половины обследованных больных отмечалось неполное аутосомно-доминантное наследование. Многие пробанды страдают от незначительных мышечных аномалий, таких как птоз, судороги, вывихи или ушибы. Отмечались отклонения в электромиограммах, а также незначительные цитологические признаки миопатии.