Bases moléculaires de pharmacog énétique

Xavier Fonrose, Laboratoire de Pharmacologie – Toxicologie, CHU GRENOBLE

Schéma général de l’action d’un médicament

Concentrationsplasmatiques

Dose RéponseOrganismeSite

d’action

PharmacodynamiePharmacocinétique

La pharmacocinétique : le devenir d’un médicament dans l’organisme

� Le devenir du médicament dans l’organisme est divisé en 4 différentes étapes pharmacocinétiques� Absorption� Distribution� Métabolisation� Excrétion

La pharmacocinétique : le devenir d’un médicament dans l’organisme

Tiré de Clinical Pharmacokinetics Concepts and Applications de Malcolm Rowland, Tozer

La pharmacodynamie : l’action du médicament sur l’organisme

� Les cibles des molécules sont nombreuses

Extrait de The druggable genome. Nat Rev Drug Discov. 2002 Sep;1(9):727-30.

La pharmacodynamie : l’action du médicament sur l’organisme

� Dans le cas d’un récepteur :

� Il faut que le récepteur soit présent et sensible au médicament

(la quantité de récepteur est également importante)

� Il est également nécessaire que la voie de transduction en aval du récepteur soit fonctionnelle.

La pharmacodynamie : l’action du médicament sur l’organisme

� Dans le cas d’un récepteur :

Extrait de The genetic basis of variability in drug responses. Nat Rev Drug Discov. 2002 Jan;1(1):37-44.

La variabilité dans la réponse aux médicaments

� Elle est observée depuis toujours� Au deux niveaux

� Pharmacocinétique� Pharmacodynamique

La variabilité dans la réponse aux médicaments

� Exemple au niveau pharmacocinétique

Extrait de Pharmacogenetics and the future of medicine (Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics and Bioinformatics)

La variabilité dans la réponse aux médicaments

� Exemple au niveau pharmacodynamique

Extrait de Pharmacogenetics and the future of medicine (Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics and Bioinformatics)

La variabilité dans la réponse aux médicaments

� Quelles sont les causes de la variabilitéobservée ?

� Très nombreuses � Quel est la part de la génétique ?

� Des études chez des jumeaux ont montré que la demi-vie d’élimination d’un médicament était un caractère héritable.

Causes de variabilité dans la réponse aux médicaments

Tiré de Goodman & Gilman's The Pharmacological Basis of Therapeuticshttp://books.mcgraw-hill.com/medical/goodmanandgilman/11th_edition.php

La variabilité dans la réponse aux médicaments

� La réponse aux médicaments dépend donc de la combinaison de facteurs environnementaux et de facteurs génétiques.

� La part de chacun des facteurs reste difficile à déterminer.

Causes de variabilité dans la réponse aux médicaments

Tiré de Goodman & Gilman's The Pharmacological Basis of Therapeuticshttp://books.mcgraw-hill.com/medical/goodmanandgilman/11th_edition.php

La Pharmacogénétique

� Elle étudie la base génétique des variations dans la réponse aux médicaments.

� Son objectif : � Adapter les traitements médicamenteux au profil

génétique des patients

� Développer des tests pharmacogénétiques simples et peu coûteux, permettant de prédire de façon fiable la réponse à un traitement donné

La Pharmacogénétique

� Influence sur la pharmacodynamie

Extrait de W. E. Evans, H. L. McLeod, N Engl J Med 348, 538

La Pharmacogénétique

� Influence sur la pharmacocinétique

Extrait de W. E. Evans, H. L. McLeod, N Engl J Med 348, 538

La Pharmacogénétique

� Influence sur la réponse aux médicaments

Extrait de W. E. Evans, H. L. McLeod, N Engl J Med 348, 538

Gènes impliqués dans la réponse aux médicaments

� On regroupe les gènes en fonction du niveau auquel ils interviennent� Au niveau pharmacocinétique� Au niveau pharmacodynamique

Gènes impliqués dans la réponse aux médicaments : Au niveau pharmacocinétique

� Les enzymes du métabolisme

The percentage of phase I and phase II metabolism of drugs that each enzyme contributes is estimated by the relative size of each section of the corresponding chart. Tiré de Science. 1999 Oct 15;286(5439):487-91

Gènes impliqués dans la réponse aux médicaments : Au niveau pharmacocinétique

� Les transporteurs (famille ABC et SLC)

Tiré de Goodman & Gilman's The Pharmacological Basis of Therapeuticshttp://books.mcgraw-hill.com/medical/goodmanandgilman/11th_edition.php

Nature des variations génétiques

� Variations structurales du génome

Nature des variations génétiques

� Variations structurales du génome

Nature des variations génétiques

� Polymorphismes nucléotidiques simples (SNP)

Conséquences des variations génétiques

Tiré de Goodman & Gilman's The Pharmacological Basis of Therapeutics (http://books.mcgraw-hill.com/medical/goodmanandgilman/11th_edition.php)

Exemples de pharmacogénétique

� Tacrolimus et cytochrome P450 3A5

� Warfarine, cytochrome P450 2C9, et VKORC1

Le tacrolimus� Mécanisme d’action

FK506 : tacrolimusPP2B : calcineurine

Extrait de T. E. Harris, J. C. Lawrence, Jr., Sci STKE 2003, re15

� Métabolisme� Large variabilité inter individuelle� Absorption faible, dont le profil est variable� La demi-vie du tacrolimus est longue et variable� Métabolisme majoritairement due aux

cytochromes P450 de la sous famille 3A

Le tacrolimus

O

O

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

OH

CH3

O

OH

OCH3

N

OH

CH3

O

O

O

O

OH

CYP3A5

CYP3A4

Le tacrolimus� Métabolisme

O

O

O

CH3

O

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

OH

CH3

O

OH

OCH3

N

OH

CH3

O

O

O

tacrolimus 13 deméthyl-tacrolimus

Extrait de K. Iwasaki, Drug Metab Pharmacokinet 22, 328

Les cytochromes P450 3A

� La sous famille 3A comprend plusieurs membres (3A4, 3A5, 3A7, 3A43)

� Les cytochromes 3A4 et 3A5 sont présents au niveau de la paroi intestinale et du foie

Le cytochrome P450 3A4

� Le cytochrome P450 3A4 est présent chez tous les individus

� Responsable du métabolisme de plus de 50 % des médicaments

� Large variabilité inter individuelle de son activité

Le cytochrome P450 3A5

� Le cytochrome P450 3A5 n’est présent que chez une fraction variable d’individus

� Les substrats ne sont pas toujours ceux du cytochrome P450 3A4

� Très présent dans les tissus extra-hépatiques

� La variation d’expression du CYP3A5 est due à des variations de séquence de l’ADN des individus

� Plusieurs polymorphismes sont responsables de la non expression du CYP3A5

� Les polymorphismes sont reliés à des mécanismes biologiques explication la non expression

Le cytochrome P450 3A5

DNA

REG

GENE

i) Pre-mRNA

ii) mRNA

iii) Protein

exons

introns

L’expression des gènes

� Schéma général

épissage

L’expression des gènes

� L’épissage des ARNm

Extrait de G. S. Wang, T. A. Cooper, Nat Rev Genet 8, 749

Exon Splicing Enhancers (ESEs)Exon Splicing Suppressors (ESSs)Intronic Splicing Enhancers (ISEs)

Le cytochrome P450 3A5

� L’allèle sauvage, expresseur, est indiqué *1

� Allèle CYP3A5 *7 (rs41303343)décalage phase lecture

� Allèle CYP3A5 *6 (rs10264272)défaut d’épissage

� Allèle CYP3A5 *3 (rs776746)défaut d’épissage

� Allèle CYP3A5 *1

o Non expresseuro Expresseur

Extrait de http://www.cypalleles.ki.se/cyp3a5.htm

Tacrolimus et CYP3A5

� Les différents polymorphismes du CYP3A5 altèrent la pharmacocinétique du tacrolimus� CYP3A5 *1

� CYP3A5 *3

Extrait de E. Thervet et al., Transplantation 76, 1233

Etude rétrospective

� Objectif : � Etudier l’impact du génotypage des allèles *3, *6

et *7 sur la posologie de tacrolimus

� Méthodes � Recueil des données biologiques et cliniques

des patients� Génotypage effectué

� PCR-RFLP � allèle *3 � SSCP et/ ou séquençage � allèles *6 et *7

� Analyse statistique : test de Kruskall-Wallis

Présentation de la population étudiée

0,15 mg/kgPosologie de tacrolimus initiale

67,9 [38,5 – 112,0]Poids (kg, extrêmes)

37,6 (n=53)Sexe F (%)

48,2 [15,4 – 74,4]Age (ans, extrêmes)

N=141Caractéristiques

Schéma d’immunosuppressionThymoglobulines de J0 à J5CorticoïdesAcide MycophénoliqueIntroduction du tacrolimus à J4

Tacrolimus et CYP3A5

Posologie moyenne (mg/Kg) : 0,145 (min : 0,038 – max : 0,471)

Coefficient de variation : 53,6%

Nom

bres

de

patie

nts

Posologie (mg/kg)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

Analyse des posologies en fonction du génotypage *3

� Génotypage effectué par PCR-RFLP� Recherche de l’allèle *3 (rs 776746)

TTGTCTTTCA A TATCTCT (patient X)

TTGTCTTTCA G TATCTCT (patient Y) *3

� Si le patient n’est pas porteur de l’allèle *3, il est classé comme étant porteur de l’allèle sauvage *1

� Allèle *3 (rs776746)

Analyse des posologies en fonction du génotypage *3

Résultats du génotypage *3

Nombre (%) 6 (4%) 24 (17%) 111 (79%)

Médiane (mg/Kg) 0,38 0,18 0,11Cœf. de variation (%) 34,2 42,6 38,5

Pos

olog

ie (

mg/

kg)

ExpresseurHomozygote

(*1/*1)

ExpresseurHétérozygote

(*1/*3)

Non Expresseur(* 3/*3)

Analyse sur l’allèle *3

p < 0,05 p < 0,05p < 0,05

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Analyse des posologies en fonction du génotypage *3

� Résultat conforme aux données de la littérature

� La variabilité reste importante dans les 3 différents groupes

� Quelles sont les autres causes de variabilité ?

131

2

3 4

5

6

7

8 9

10

11

12

Allèle *3 (rs776746)Intron 3

Allèle *6 (rs10264272)Exon 7

Allèle *7 (rs41303343)Exon 11

Le cytochrome P450 3A5

� Emplacement des mutations

� Allèle *6 (rs10264272)

Le cytochrome P450 3A5

Extrait de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/snp_ref.cgi?rs=10264272

� Allèle *7 (rs41303343)

Le cytochrome P450 3A5

Extrait de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/snp_ref.cgi?rs=41303343

Résultats des génotypage *3, *6 et *7

n= 3 (2%)

n= 20 (14%)

n= 2 (1%)

n= 1 (1%)

n= 3 (2%)

n= 1 (1%)

n= 111 (79%)

*1/*1

*1/*3

*1/*6

*1/*7

*3/*6

*3/*7

*3/*3

Nombre (%) 3 (2%) 23 (16%) 115 (82%)Médiane (mg/Kg) 0,39 0,23 0,105Cœf. de variation (%) 19,0 39,0 38,8

Analyse basée sur les allèles *3, *6 et *7

ExpresseurHomozygote

(*1/*1)

ExpresseurHétérozygote

(*1/*3, *1/*7, *1/*6)

Non Expresseur(* 3/*3, *7/*3, *6/*3)

Rappel : Analyse basée seulement sur l’allèle *3

ExpresseurHomozygote

(*1/*1)

ExpresseurHétérozygote

(*1/*3)

Non Expresseur(* 3/*3)

Nombre (%) 6 (4%) 24 (17%) 111 (79%)

Médiane (mg/Kg) 0,38 0,18 0,11Cœf. de variation (%) 34,2 42,6 38,5

Génotypage *1, *3, *6 et *7

Nombre (%) 3 (2%) 23 (16%) 115 (82%)

Médiane (mg/Kg) 0,39 0,23 0,105Cœf. de variation (%) 19,0 39,0 38,8

Pos

olog

ie (

mg/

kg)

ExpresseurHétérozygote

(*1/*3, *1/*7, *1/*6)

Non Expresseur(* 3/*3, *7/*3, *6/*3)

ExpresseurHomozygote

(*1/*1)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 p < 0,05 p < 0,05p < 0,05

Intérêt du génotypage systématique des allèles *6 et *7

Expresseur Homozygote (*1/*1)

Expresseur Hétérozygote (*1/*3)

Non Expresseur (* 3/*3)

Pos

olog

ie (

mg/

kg)

Observations0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Patients (de 1 à 141)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Intérêt du génotypage systématique des allèles *6 et *7

Expresseur Homozygote (*1/*1)

Expresseur Hétérozygote (*1/*3, *1/*7, *1/*6)

Non Expresseur (* 3/*3, *3/*6, *3/*7)

Ajout des allèles *6 et *7

Patients (de 1 à 141)

Intérêt du génotypage systématique des allèles *6 et *7

� L’ajout des allèles *6 et *7 modifie le génotype de 7 patients sur 30 (23%).

� Il diminue la variabilité, modifie les médianes de certains groupes

Intérêt du génotypage systématique des allèles *6 et *7

� Intérêt du génotypage systématique des allèles *6 et *7

� Permet d’éviter un surdosage lors de l’initiation du traitement

*1/*3 *6 ou *7/*3

Expresseur hétérozygote Non expresseur

Posologie recommandée 0,23 mg/kg

Posologie recommandée0,1 mg/kg

Allèles *6 ou *7

Conclusion

� Nécessité de déterminer le génotype complet� Posologie double chez les expresseurs

hétérozygotes du CYP3A5� 0,23 mg/kg vs 0,11 mg/kg

Perspectives

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Nombre (%) 3 (2%) 23 (16%) 115 (82%)

Médiane (mg/Kg) 0,39 0,23 0,105Cœf. de variation (%) 19,0 39,0 38,8

ExpresseurHétérozygote

(*1/*3, *1/*7, *1/*6)

Non Expresseur(* 3/*3, *7/*3, *6/*3)

ExpresseurHomozygote

(*1/*1)

Patients (de 1 à 141)

Continuer à faire diminuer la variabilité entre les groupes

En recherchant d’autres polymorphismes génétiques

Mais aussi en ne négligeant pas les autres facteurs de variabilité

•Interactions médicamenteuses

•Exposition aux corticoides

•Inducteurs médicamenteux

La warfarine

� Mécanisme d’action

La warfarine

� Il faut établir une dose efficace, qui amène àun niveau d’hypocoagulation ni trop bas (risque thrombotique – INR < 2.0) ni trop haut (risque hémorragique – INR > 4.0)

� La surveillance se fait par l’INR� Pour une même dose donnée à chaque

patient, l’INR est très variable.

La warfarine

� Quelles sont les causes de la variabilité ?� Influence du CYP450 2C9

� Allèle défectif *2 et *3

Cytochrome P450 Genotype and Warfarin Dose

5.1

3.93.4

4.74.0

2.01.5

0

1

2

3

4

5

6

7

*1/*1 *1/*2 *1/*3 *1/*5 *2/*2 *2/*3 *3/*3

N=369

B. Gage et al. B. Gage et al. Thromb HaemostThromb Haemost.. 2004;91:872004;91:87--94.94.

Mea

n W

arfa

rin D

ose,

mg/

dM

ean

War

farin

Dos

e, m

g/d

La warfarine

� Quelles sont les causes de la variabilité ?� Influence de VKORC1

Correlation between VKORC1 Haplotype Groups and VKORC1 mRNA Expression

La warfarine

� Quelles sont les causes de la variabilité ?

CYP2C9 (up to 15%)

VKORC1 (up to 25%)

Other factors (up to 40%)

Age, sex,

weight (10-20%)