人类基因组中的自然遗传变异是导致个体对药物反应差异的原因，例如，基因变异与抗高血压药物（如b受体阻滞剂、血管紧张素受体阻滞剂和血管紧张素转换酶（ACE）抑制剂）反应的差异有关，自然变异也可能增加药物不良反应的倾向。这也是一种未被充分认识到的公共卫生负担，仅在美国，对药物不良反应的考虑不足，每年就造成300亿美元的财政负担。因此，了解药物靶点的基因变异直接关系到调整药物处方（即个性化医疗），以最大限度地提高疗效和安全性，同时减少副作用。
许多治疗常见疾病的药物靶点涉及G蛋白偶联受体（GPCR），以这些受体为靶点的药物占了所有已上市药物的36%。GPCR靶向药物的销售占全球市场份额超过27%，每年全球销售额超过1800亿美元。美国食品和药物管理局（FDA）已批准的药物靶向至少108个GPCR，另外66个GPCR受体的靶向药物正在临床试验中。本文通过分析68496个个体的数据，发现药物靶向的GPCRs在人类群体中的功能区（如药物和效应器结合位点）内显示出遗传变异。实验表明，某些变异的阿片类受体和胆囊收缩素-A受体可能导致药物反应的改变或不良状况。通过对英国国家卫生服务局药品处方和销售数据的分析，发现对GPCR变异进行描述可以提高处方精度，改善患者的生活质量，减轻因药物反应性变化而带来的经济和社会负担。
GPCR药物靶点在个体内存在错义变异（MV）的发生率是多少？对1000个基因组项目中2504个“健康”个体的完整基因型信息的调查表明，平均而言，一个人在三分之一的GPCR药物靶点的编码区内存在68个错义变异（图1A）。其中，平均每个个体有8个变体先前已知与药物反应改变的临床关联（图1B）。例如，卵泡刺激素受体（FSHR）中的杂合子A307T变异在多囊卵巢综合征患者中普遍存在，并且与对外源性FSH的更高反应性相关。多巴胺受体3（DRD3）中的G9S变体与帕金森病患者左旋多巴治疗后胃肠道毒性风险增加有关（图1C）。对1762个三人组（父亲、母亲、子女）的分析显示，6个后代在GPCR药物靶点中至少有一个新的新生MV。换句话说，在GPCR药物靶点中，每300个新生儿中就有1个出现新的、非致命的、错义的种系突变（图1D）。这些观察结果共同表明，GPCR药物靶点可能会随着编码区内新的错义突变的持续出现而显示出实质性的变化。
除错义外，引入终止密码子、引起移码或影响重要剪接位点的突变都构成了功能缺失变异（LoF）。蛋白质编码基因的丰度可能受到缺失和/或重复（拷贝数变异，CNV）的影响。这种突变事件可能改变功能特性和/或改变药物靶点的丰度，其中任何一种都可能影响药物疗效、安全性和不良反应。在人群中，GPCR药物靶点的变异性到底有多大？为了描述GPCR药物靶点的变化范围和流行率，我们调查了外显子组集合联盟（ExAC）的数据，其中包含60000名“健康”个体的MVs、LOF和CNV的集合信息。这使我们能够描述目前人类群体中可用药的GPCRs的突变情况。我们发现108个GPCR药物靶点共有14192个MVs，每个受体平均有128个稀有和3.7个常见变异（图2A）。平均而言，108个GPCR中每个受体25%的位点中就包含一个错义变异（图2A）。GPCR药物靶点平均每个受体有9.3个不同位置的LoF突变（图2B）。保守估计，平均而言，60706个个体中至少有120个在GPCR药物靶点（0.2%）中存在这种LoF突变（即终止密码子、基本剪接位点和移码突变）。事实上，在108个GPCRs中至少观察到一个LoF变异体，这表明杂合性、显性调控和缓冲机制（如等位基因特异性表达）可能会抵消健康个体中这些剧烈突变的影响。许多GPCR药物靶点也容易受到CNVs的影响，在ExAC数据集中，分析的每个GPCR平均有两个重复和三个缺失（图2C）。
镇痛药靶向的µ-阿片受体（MOR；OPRM1）是人类群体中高度可变的GPCR药物靶点之一。将GPCR靶点的可变性程度与FDA批准的药物相结合的信息显示，一些高度多态性的GPCR被大量药物靶向（图3A-C）。因此，GPCR药物靶点的广泛遗传变异可能会导致人群中个体间药物反应的显著差异，但尚未得到充分认识。
所观察到的受体变异体能影响药物反应吗？变异的哪一部分可能有影响？我们分析了每个MVs，并研究它们是否映射到功能相关区域（即配体结合、效应器结合、变构钠结合口袋、激活微开关和翻译后修饰位点），以推断可能的影响（图4）。我们根据196个可用的GPCR配体晶体结构的数据，发表的文献和2544个实验验证的翻译后修饰位点（PTMs）确认了功能位点。2036个不同受体的突变属于已知功能位点。
图4：GPCR药物靶点的突变与功能的关系
对与FDA批准的药物结合的GPCRs的结构进行检查，发现一些受体的药物结合袋中存在错义变异。例如，抗逆转录病毒药物maraviroc（抗逆转录病毒药物）在CCR5受体的9个结合位点中有8个表现出多态性，这表明携带这种变异CCR5受体的患者在治疗HIV感染时可能表现出不同的反应。每10 MV中就有一个存在于G蛋白或b-arrestin结合界面。例如，在108个GPCR药物靶点中，我们发现在67个受体中，至少有一个等位基因在高度保守的3.50350位置（GPCRdb编号）发生突变，41个受体在8.49349位置有突变。这些位置分别与G蛋白和arrestin进行广泛的非共价接触，因此对细胞内信号和药物反应非常重要。这表明，具有这种受体变体的个体可能表现出G蛋白选择性的差异或偏向性信号，因此由于GPCR信号的不同，对同一药物的反应也不同。在影响GPCR结构、动力学、活化、异质性和功能的其他功能位点也观察到错义变异。其中包括调节受体活性的变构钠结合口袋中的突变，对受体构象变化至关重要的微开关，以及翻译后修饰位点，如N-末端和C-末端的磷酸化分别影响受体表达和信号传递。携带这种变异受体的个体对药物的反应可能不同。有变异受体的个体对药物的反应可能不同吗？为了研究这一点，我们收集了配体突变GPCR相互作用的实验数据。与上述研究结果一致，在与24个受体中自然发生的变异相对应的49个实验测试突变中，32%（16/49）显示出至少5倍的亲和力或效价变化。其中，68%（11/16）属于已知或假定的功能位点。这些观察结果表明，这些药物靶点的自然变化会影响药物结合。
然后，我们分析了基于人群的临床研究中的药物错义变体关联数据，并编制了11个受体中16个不同位置突变与39种批准药物中一种的反应改变之间的统计关联数据集（图5）。这些药物包括多种疾病的治疗，从代谢、呼吸、神经和生殖系统疾病到心血管疾病。我们对给药的疾病进行了分类，并将这些信息与变体和受体上的位置联系起来。在与药物反应改变相关的16个变异体中，有4个变异存在于假定的功能位点内，具有中等至较高的等位基因频率。其余的MVs位于功能位点之外，这表明这些突变可能影响尚未被特征化的功能位点。这些位点可能促进与其他因子的相互作用，如伴侣蛋白、膜蛋白、胞浆蛋白和膜脂，在无序区域形成寡聚界面或线性基序的一部分，或可能影响受体的生物发生和表达的稳态。
图5：GPCR药物靶点的突变与药物、疾病的关系
哪些受体在其功能位点的重要部分具有多态性？为此，我们分析了ExAC数据，并确定了在已知功能位点上显示最大和最小变异的受体。平均而言，每个受体在23%的已知功能位点至少有一个多态性。GPCR药物靶点高度可变，包括生长抑素SST5受体（SSTR5）、胆囊收缩素A受体（CCKAR）、多巴胺D5受体（DRD5）和降钙素受体（CALCR），所有这些都在超过40%的已知功能部位显示氨基酸变化（图6）。因此，对于某些受体来说，变异的高发生率（即已知功能位点的一部分）使药物作用更可能发生，而变异性较小的药物靶点可以保持预期的药物反应。然后，我们为每种药物制定了一个评分，根据药物靶点中已知功能位点部分的可变性而表现出改变反应的可能性对其进行排名。我们发现，麦角类药物（用于治疗心血管疾病）、奥氮平和阿司那平（均用于治疗精神分裂症）是靶点变化最大的药物，因此更有可能表现出可变反应。
图6：药物与GPCR功能的变异性
有多少人可能携带一个变异的GPCR药物靶点，并在已知或假定的功能位点发生突变？我们发现，在1000个基因组项目中，平均3.1%的个体携带至少一个等位基因，该等位基因在任何给定的GPCR药物靶点的已知功能位点上具有错义变异（11.9%位于已知或假定的功能位点）。例如，超过86%和69%的个体携带至少一个在大麻素受体2（CNR2）和胰高血糖素样肽1（GLP1）受体的已知功能位点发生错义突变的等位基因，这两个基因分别是常见的止吐药那比隆和几种抗糖尿病药物，如艾塞那肽的靶点，与我们观察到的µ-阿片受体变体一致。这表明，相当一部分人群可能携带变异受体并保持健康，但在药物治疗时，有可能显示出药物反应的差异。
与GPCR药物靶点的基因变异相关的药物成本到底有多少？为此，我们调查了英国所有279种FDA批准的有效处方药，国家卫生服务健康记录（2011-17）中提供的6年期处方数量，以及处方相关费用。高度处方的药物与人体已知和假定功能位点内多态的受体相关。在考虑LoF和CNV时，我们也发现了相同的趋势。例如，高度多态性的药物靶点µ-阿片受体介导吗啡、曲马多、可待因、丁丙诺啡和芬太尼等药物的作用，这些药物每月处方超过400万次，仅在英国每年的销售额就超过4.32亿英磅。即使这些处方的一小部分无效或导致意外的不良反应，这种差异也可能导致不同的有效治疗结果和显著的经济负担（仅在英国每年估计为3000万英镑）。
粗略估计，在英国，每年针对GPCRs的药物无效处方可能给国民健康服务带来的经济负担可能在1400万（考虑到两个等位基因只在已知功能位点有突变的人的百分比）和5.01亿（考虑到至少有一个基因突变的人的百分比）英镑。这些估计没有考虑到其他经济负担来源，如医院处方、疾病性质、患者年龄、编码区外影响药物靶向表达水平的突变，药物不良反应相关的额外病人护理和额外的住院费用。计算表明，GPCR药物靶点的多态性可能构成一笔巨大的、未计算的医疗费用。因此，在了解药物靶点多态性的影响和在试验和临床中积极纳入药物反应的努力，有可能减少公共卫生方面经常性的、未说明的开支。
参考文献：
Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets. Hauser et al., 2018, Cell 172, 1–14
