Farmacologia di base e farmacogenetica

TERMINOLOGIA GENETICA:

• Gene: unità fondamentale, fisica e funzionale, di ereditabilità, che trasmette l’informazione biologica da

una generazione ad un’altra.

• Fenotipo: caratteristiche morfologiche e funzionali misurabili di un organismo, determinate dal suo

genotipo e modulate dall’ambiente esterno.

• Polimorfismo genetico: presenza in una popolazione di più varianti dello stesso fenotipo determinate da

differenti alleli con una frequenza maggiore dell’1%. Se la frequenza è minore dell’1%, si parla di

variante rara (o mutazione, ma è un termine desueto).

• Allele: forma alternativa di un gene specifico. Dal punto di vista molecolare consiste nella presenza di

una variante a livello della sequenza.

Quanto grande è il genoma? Quanti geni contiene?

Sono stimati 52 milioni di polimorfismi! Circa 1 base ogni 1000 all’interno del genoma è una possibile variante.

Dal punto di vista molecolare i polimorfismi possono essere classificati in: SNPs, indel, somatic mutations. Si

parla di Indel se in una determinata posizione o manca o è stata aggiunta una serie di basi (la porzione è

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limitata). Si parla di CNV invece se in una determinata posizione o manca o è stato aggiunto un intero gene o di

parte di un gene (la porzione è maggiore).

Alcune variabili sono molto frequenti all’interno della popolazione, e spesso avvengono all’interno di regioni non

codificanti del genoma, proprio perché in queste regioni è abbastanza indifferente la presenza di una base

piuttosto di un’altra. Se una variante è rara, probabilmente indica che ha un impatto molto importante

nell’attività genica. I polimorfismi generalmente sono a frequenza intermedia e spesso dipendono dalla presenza

di due condizioni ambientali che spingono in direzioni opposte (es. resistenza alla malaria e favismo).

Obiettivo della ricerca farmacogenetica: associare un certo fenotipo di rilevanza clinica (es. risposta

terapeutica, effetti avversi, resistenza) ad un particolare genotipo.

L’mRNA ha la complicazione di essere più instabile del DNA e quindi di essere più soggetto a mutazioni. Inoltre

non è costante in tutti i tessuti. Anche processi epigenetici come la metilazione sono complessi da caratterizzare.

Il DNA è la sorgente più semplice di analizzare, tuttavia sono pochi i genotipi gestiti in modo penetrante (= che

spiegano interamente la caratteristica del fenotipo) dal solo DNA. Ad esempio la fibrosi cistica è provocata dalla

mutazione del gene FTR per un trasportatore che regola i flussi ionici: in questo caso il fenotipo è totalmente

spiegato dalla presenza di un gene.

Spesso la corrispondenza genetica-risposta non viene spiegata in maniera completa:

• Lo step più critico è definire e misurare il fenotipo che correla tra farmaco-risposta.

• Per l’identificazione ci si può basare sullo studio di un gene candidato oppure su studi agnostici genome-

→

wide è sempre più semplice avere a disposizione dati su grandi quantità di genoma attraverso

un'unica analisi. È necessario quindi valutare se associare poche varianti candidate con la variabilità del

fenotipo (ipotizzare quali geni contano di più), oppure se effettuare un’analisi più ampia. Il secondo

metodo ci permette di non effettuare alcun tipo di ipotesi, perché viene studiato l’intero genoma e tutte

le variabili del gruppo di individui, tuttavia la mole di dati è enorme. Altro problema è il multiple testing,

un problema di natura statistica: con così tante varianti sarà necessario avere a disposizione

un’elevatissima quantità di individui da testare perché i risultati possano avere validità statistica.

Un’associazione tra una frequenza e una caratteristica particolare in statistica è valutata accettabile

quando la frequenza di una variante rispetto alla media di una popolazione è inferiore al 5%. Inoltre, se

il test dura molto tempo, è possibile che all’interno della popolazione in analisi compaiano variabilità

dovute ad altri motivi.

• Scoperte farmacogenetiche necessitano di una validazione indipendente prima di venire applicate

→

all’ambito clinico validare l’esecuzione in altre coorti o attraverso modelli sperimentali

• Il processo di validazione può risultare più semplice se vengono scoperti i meccanismi che determinano

come la variante altera la risposta ai farmaci.

I geni che influenzano la risposta ai farmaci possono agire per azione farmacocinetica (geni riguardanti

l’assorbimento etc) o farmacodinamica (geni di target molecolari). Come possono combinarsi a livello genetico i

fattori farmacocinetici e farmacodinamici? 125

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Consideriamo ad esempio un polimorfismo coinvolto nel metabolismo di un farmaco, nel quale è presente un

allele variante con attività ridotta. L’allele wild type codifica per una proteina standard, la variante per una

proteina inattiva. Questo è un esempio, ma è una delle situazioni più frequenti.

Nel grafico viene identificato il grafico farmacocinetico del farmaco a seconda del tipo di paziente omozigota

wt/wt o v/v; eterozigota wt/v. Ciò che accade al metabolismo del farmaco dipende dal modello di ereditarietà

seguito dal polimorfismo, ovvero da quando compare il fenotipo: se è dominante o recessivo o codominante (il

fenotipo compare in modo proporzionale al numero di alleli varianti). Spesso negli studi di farmacogenetica si

considerano effetti di codominanza: il grado di alterazione dipende dal numero di alleli varianti, come avviene

nel nostro esempio. Quando la capacità di biotrasformazione diminuisce, l’area sotto la curva aumenta perché, a

pari dose di farmaco, aumenta la concentrazione di farmaco presente nell’organismo (biodisponibilità).

Consideriamo invece un farmaco che altera la farmacodinamica: in questo caso l’effetto massimo risulta essere

proporzionale al numero di alleli funzionali del bersaglio molecolare. L’allele wild type codifica per un bersaglio

che ha piena attività, quello variante per un bersaglio meno attivo. Il soggetto v/v non risponde affatto al

farmaco perché il suo bersaglio molecolare non è attivo.

La curva di tossicità invece è indipendente dalla presenza o meno del polimorfismo: possiamo dire che si riferisce

ad un effetto avverso dose-dipendente off target, perché appunto non dipende dal target polimorfico.

Così come un polimorfismo può agire sulla farmacocinetica e farmacodinamica, i due effetti possono anche

combinarsi. 126

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Esempio: effetto di polimorfismi sull’effetto terapeutico di un farmaco e sulla sua tossicità, per geni che

gestiscono la biotrasformazione del farmaco stesso. La biodisponibilità del farmaco anche in questo caso

aumenta al numero di alleli varianti: effetto di codominanza. Anche l’efficacia terapeutica sarà dipendente dal

numero di alleli varianti. Nei pazienti omozigoti varianti aumenta l’effetto terapeutico perché aumenta

l’esposizione al farmaco. La percentuale di effetti avversi è dipendente solamente all’esposizione del farmaco e

quindi indirettamente al numero di geni attivi per la sua biotrasformazione.

Soggetti che sono privi di target molecolari, invece, non sono in grado di rispondere al farmaco

indipendentemente dalla farmacocinetica.

La codominanza è caratteristica di tutti gli enzimi che gestiscono la biotrasformazione dei farmaci. In altre

situazioni invece è possibile che il polimorfismo segua effetti di dominanza o recessività.

Varianti genetiche

Tutto quello visto fin’ora parte dalla considerazione che polimorfismi genetici influenzino la trascrizione e quindi

la funzionalità del mRNA, che viene tradotto in proteine alterate.

Questo modello (dogma della biologia) è però troppo poco complesso per spiegare l’effetto dei polimorfismi.

Sono presenti infatti fattori epigenetici che dipendono da altre caratteristiche molecolari anziché dal DNA, che

possono alterare l’efficienza della trascrizione delle proteine. Questi fattori possono alterare la significatività di

un polimorfismo. Anche fattori di regolazione del mRNA e modificazioni post-traduzionali delle proteine

rientrano in quei fattori in grado di alterare la risposta individuale ai farmaci.

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Noi non entreremo nei dettagli di fattori al di fuori del dogma della biologia, ma è importare sapere che esistono

e che tendenzialmente vanno considerati in studi di farmacogenetica.

Ci concentreremo sulla variabilità determinata da alterazioni nella sequenza del DNA: →

Figura 18 - Traslocazione 9 22, con

creazione del cromosoma Philadelphia.

Figura 17- Nella fibrosi cistica, avviene una

delezione all’interno del CFTR gene, che

codifica per un trasportatore importante per i

-

flussi di Cl .

SNP (Single Nucleotide Se l’inserzione e delezione consiste Avvengono per ricombinazione dei

Polimorphysm). Più spesso si parla in un numero elevato di basi, non si cromosomi, che sono caratterizzati

di SNA (Single Nucleotide parla più di Indel ma di CNA (Copy da break point region, zone

Alteration), che non preclude il Number Alteration). In questi casi particolarmente fragili in grado di

fatto che l’alterazione debba anche interi geni possono essere rompersi. Si possono formare

avere una frequenza almeno aggiunti o eliminati nel genoma: ad cromosomi chimerici che

dell’1%. esempio può mancare o essere codificano per proteine funzionali

presente un intero enzima. ma aberranti. Hanno interesse

oncologico.

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In oncologia, altro fattore da tenere conto è che il DNA del tumore può essere diverso da quello dell’ospite.

• Il DNA della cellula tumorale viene indicato come “somatic genome”: influenza soprattutto la risposta

cellulare al farmaco sia in termini farmacocinetici che farmacodinamici. Regola quindi la variabilità della

risposta e quindi influenza la sensibilità e l’efficacia dei trattamenti farmacologici.

• →

Il DNA originale dell’ospite viene chiamato “germ line genome” influenza in modo indiretto l’efficacia

dei trattamenti, attraverso la biodisponibilità del farmaco, ma soprattutto i suoi effetti avversi. Regola la

farmacocinetica sistemica e quindi la tossicità sistemica.

Questo avviene anche nel caso di chemioterapia batterica, in cui i fattori genetici del microrganismo possono

alterare la risposta ai farmaci dell’individuo. 129

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