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PHARMACOGENOMIQUE
ET
PSYCHIATRIE
Mathot F.
Beauvallon
Juin 2012
GENETIQUE = LIEN ENTRE BIOLOGIE ET COMPORTEMENTS.
DEFINITIONS
• PHARMACOGENETIQUE (Volgel 1957) : Lien entre gènes
(ethnies ou population) et réponses aux médicaments.
• PHARMACOGENOMIQUE : lien entre génome (personne ou
groupe) et réponse aux médicaments.
• EPIGENETIQUE : Influence de l’environnement sur nos gènes.
• PROTEOMIQUE : Etude des protéines (structures et fonctions).
+ complexe que génomique : génome = constant et protéome
varie de cellules à cellules.
• METABOLOMIQUE : Etude systémique des empreintes
chimiques que les processus cellulaires laissent derrière eux.
Métabolome = collection de tous les métabolites (par ex d’une
cellule).
EPIGENETIQUE : Exemple
PHARMACOGENETIQUE
• La pharmacogénétique permet d’établir un lien entre le
polymorphisme de la structure génique (le génotype) et
la variabilité de la réponse à l’effet d’un médicament
(le phénotype)
• Objectifs => Améliorer la maîtrise de la variabilité
interindividuelle
Individualiser le traitement médicamenteux
: choix de la molécule mais aussi posologie et rythme
d’administration
PHARMACOGENOMIQUE :
=Etude des variations interindividuelles à
l’intérieur de génomes complets dans le but de
trouver de nouvelles cibles thérapeutiques ou
d’identifier des différences entre l’expression des
gènes et la réponse aux différents médicaments.
Grand intérêt pour la genèse de nouveaux
médicaments. (plus de 100 médicaments produits
par génie génétique sont déjà utilisés).
EMEA :
HARMONISATION AVEC FDA.
La pharmacogénomique désigne tous les éléments
de modifications de l’expression des gènes qui
altèrent la réponse aux médicaments.
CODE GENETIQUE.
Code universel inscrit dans le matériel génétique avec toutes
les informations nécessaires à la fabrication des protéines.
Chaque triplet de nucléotides ou codon est spécifique pour un
acide aminé. Le fondement de l‘hérédité repose sur la
relation entre la séquence des nucléotides et la séquence
des acides aminés.
Un codon (triplet) code pour un acide aminé.
Un exon code une chaîne polypeptidique indispensable à la
synthèse d’une protéine.
Un intron est une séquence non codante située entre 2
fragments codants pour un polypeptide (exon) d’un gène.
CODE GENETIQUE / CODON.
En génétique, les codons sont des triplets de nucléotides (A-Tou U, C-G)
Il existe 4³ = 64 combinaisons possibles de ces 4 lettres en triplets. Il y a
3 codons « stop ». Aux 61 autres codons correspondent les 20 acides
aminés. Ainsi, en moyenne, une mutation sur 3 affectant une séquence
d’ADN codante n’entraîne aucune modification de la protéine traduite.
Le code génétique permet la synthèse des protéines. L’ADN est transcrit
en ARN messager (ARNm). Celui-ci est traduit par les ribosomes qui
assemblent les Acides aminés sur des ARN-transfert (ARNt). L’ARNt
contient un « anti-codon », complémentaire d’un codon et porte l’acide
aminé correspondant au codon. Pendant la traduction, le ribosome lit
l’ARNm codon par codon, met en relation un codon de l’ARNm avec
l’anti-codon d’un ARNt et ajoute l’acide aminé porté par celui-ci à la
protéine en cours de synthèse.
CCODE GENETIQUE.
POLYMORPHISME
-Le polymorphisme a surtout lieu sur des nucléotides particuliers
(SNP) :
-Aujourd’hui, près de 3.000.000 SNP ont été identifié et la
statistique projette 10.000.000 SNP environ.
- Influence polygénique sur les caractéristiques pharmacocinétiques
et pharmacodynamiques.
- On estime que la génétique intervient pour 20 à 95% dans la
variabilité des effets des médicaments.
-Ces différences sont dues à des variations dans les séquences des
gènes codant soit: des enzymes métabolisants,
des transporteurs
des récepteurs.
SNP : Polymorphisme d’un nucléotide.
Un SNP peut mener à une substitution d’un acide aminé dans la
séquence d’une protéine altérant celle-ci.
Par ex : le remplacement valine par glutamate en position 6 de la
chaîne hémoglobine  globule rouge plus rigide  en forme
de faux  anémie falciforme.
Chaque individu possède une collection unique de SNP qui
explique les variations notamment dans la réponse aux
médicaments.
Chaque cellule contient 46 chromosomes et environ 30.000 gènes
(le + petit gène : 1.000 bases et le + grand : 2.000.000) pour 3,4
milliards de paires de bases dans notre génome.
La bio-statistique avance un SNP pour 1000 bases.
7 millions de SNP différents entre 2 individus non proches.
Nous disposons de 50-150.000 protéines dont 25% ne sont pas
identifiées.
Hirokane, 1999, Halopéridol TDM (n:231) : la Css (conc. Plasma. Au
steady state) ajustée varie de 11 fois.
De Leon 2004, T1/2 Halopéridol de 14,5 hr à 36,7 hr mais après
administration chronique, il rapporte des T1/2 de 21 jours.
Castberg, 2005, TDM routine Risperdal Consta après 14 jours :
25mgr : 38 nmol/L, 37,5mgr : 67 nm, 50mgr : 99nm et 75mg : 148.
C/D (conc plasma/dose/24hr) médiane est de 22,2 nmol/L/mgr/24hr
pour le groupe IM (n:30) et de 18,6 pour le groupe oral (n:278).
Kramer 2000, Quetiapine, même dose, Css varie de 40 fois.
Hasselstrom 2004, TDM Quetiapine (n:62) C/D varie de 238 fois.
Olesen 1999, TDM Olanzapine (n:56) C/D varie de 26 fois.
Gex 2003, TDM Olanzapine (n:250) : si : femme, âgée, non fumeuse
et + fluvoxamine alors Css Olanzapine 4,6 fois plus élevée que si
homme, jeune, fumeur et + carbamazépine.
La demi-vie plasmatique est différente de la demi-vie
dynamique. (Kapur 2002).
-Olanzapine: demi-vie : plasma : 24,2 hrs
: striatum : 75,2 hrs (50% occupation D2)
-Rispéridone
: plasma : 10,3 hrs
: striatum : 66 hrs
•Posologie et Psychiatrie.
•Dose-effet (plasma)
•Concentration-effet (site récepteur).
•La dose reste fixe tandis que la conc. varie
en fonction de : durée-sujet-métabolite actifisomère et la sensibilité des cibles varie aussi
selon le sujet, la période, la pathologie, la
comédication, l’environnement, alcool, tabac.
•Combien de fois?
•50% des médicaments exercent leurs effets au
niveau d’un récepteur membranaire.
•30% interagissent avec une enzyme.
•5% agissent sur un canal ionique.
•Transporteurs ?, Pompes P-gp ?
•On estime que 1% des bases du génome
humain peut varier et qu’au moins 28% (50% ?)
des enzymes humaines sont polymorphes.
RECEPTEURS : Exemples de Polymorphismes et ADRs.
Examples of drug targets with identified genetic polymorphisms associated ADRs
Target
Gene
Drug
Potential ADR
Dopamine D3 receptors
DRD3
Antipsychotics (dopamine
antagonists)
Drug-induced tardive
dyskinesia
Delta Opioid receptors
OPRM1
Methadone, Heroin,
Fentanyl
Addiction
Potassium channel
KCNH2 (HERG)
cisapride, quinidine
Drug-induced LQT/TdP
Potassium channel
KCNE2
Clarithromycin
Drug-induced arrhythmia
Ryanodine receptor
RYR1
Halothane, suxamethonium
Hyperthermia
Beta2-adrenergic receptor
Beta2-AR
Salbutamol
Lack of efficacy
LQT, Long QT. TdP, torsades de pointes.
Le remplacement de l ’arginine 1644 par une histidine au niveau
S4 du domaine IV inactive le canal sodique.
FIG. 2. Selected transport mechanisms along the BBB. A general depiction of the polarized expression of
transporters for drugs and essential
nutrients on a BBB endothelial cell. The arrows indicate the direction of transport. For a more descriptive
representation of the major drug transport
systems in the BBB [organic cation and anion transporters, nucleoside transporters (N2, es, and ei), and
efflux systems (P-gp and MRP)], please refer
to Figs. 4, 5, 6, and 7. Adapted from Betz et al., 1980; van Asperen et al., 1997.
ACIDES AMINES
Le cerveau est le seul organe où le transport des acides aminés est
limité et même aux concentrations plasmatiques normales, il y a
compétition pour le passage des membranes (BBB).
Tyr et Tryp sont en compétition avec val, leu, isoleu et phenylala.
Schizophrenie : Les 4 A.A. sont augmentés; les conc. plasma. en tyr
sont inchangées mais compétition pour le transport vers le
cerveau avec moins de tyrosine disponible càd de dopamine.
Une diminution de Tyr est aussi signalée dans l’autisme et chez des
bipolaires.
On remarque une diminution de Tryp chez les non répondeurs aux
AP atypiques; cette résistance pourrait être liée à un déficit de
synthèse de 5HT dans le SNC.
Le gène MDR-1 (multidrug resistance)
• Code pour une protéine appelée « P-glycoprotein » (P-gp)
• P-gp exprimée dans divers types cellulaires : produit
l ’extrusion de diverses molécules de l ’intérieur de la cellule
vers l ’extérieur
• P-gp impliquée au départ dans le développement de la
résistance de tumeurs à divers médicaments cytostatiques
(par  de la concentration intracellulaire de ceux-ci)
• P-gp exprimée notamment au niveau de l ’intestin et de la
BHE : divers médicaments non-cytostatiques (p.e. digoxine,
ciclosporine, vérapamil, terfénadine, inhibiteurs de la
protéase du HIV) sont des substrats
• gène MDR-1 très polymorphique :1 polymorphisme
(C3435T) corrélé avec Cmax de la digoxine
• P-gp induite par la rifampicine : nouveau mécanisme
d ’interaction médicamenteuse
Figure 3. Functional Consequences of Genetic
Polymorphisms in the Human P-Glycoprotein Transporter
Gene ABCB1 (or MDR1).
The schematic diagram of the human P-glycoprotein was
adapted from Kim et al.,18 with each circle representing an
amino acid and each color a different exon encoding the
corresponding amino acids. Two single-nucleotide
polymorphisms in the human ABCB1 gene have been
associated with altered drug disposition (Panels A, B, C, and
E) or altered drug effects (Panel D). The synonymous singlenucleotide polymorphism (a single-nucleotide polymorphism
that does not alter the amino acid encoded) in exon 26 (the
3435C" border=0 src="/math/rarr.gif"T single-nucleotide
polymorphism) has been associated with higher oral
bioavailability of digoxin in patients homozygous for the T
nucleotide (Panel A [Cmax denotes maximal concentration])19
but lower plasma concentrations after oral doses of
fexofenadine (Panel B)18 and nelfinavir (Panel C).20 This
single-nucleotide polymorphism has also been linked to better
CD4 cell recovery in HIV-infected patients who are treated
with nelfinavir and other antiretroviral agents (Panel D).20
The single-nucleotide polymorphism at nucleotide 2677 (G"
border=0 src="/math/rarr.gif"T) has been associated with
lower plasma fexofenadine concentrations in patients
homozygous for the T nucleotide at position 2677 (Panel E). 18
The panels have been adapted from Kim et al.,18 Hoffmeyer
et al.,19 and Fellay et al.20
Génotype TT et passage placentaire.
Le génotype maternel régule (foie) le métabolisme des médic.
jusqu’au placenta mais les caractéristiques génétiques du
placenta sont déterminées par le fœtus.
Difficultés de prédiction de l’exposition médic. du fœtus du fait de
la juxtaposition de 2 génotypes.
Ex. : génotypes P-gp CC, CT ou TT : un double TT (mère et fœtus)
amène une exposition accrue pour le fœtus car moins de P-gp.
Le génotypage de la mère et du fœtus (amniocentèse) pourrait aider
le choix d’un médicament afin de minimiser les ADR potentiels.
Ex : Sertraline : P-gp inhibiteur, augmente la conc. et la 1/2vie de
rispéridone et 9OH-risp. et la sertraline est un substrat CYP
2D6, 3A4, 2C9, 2C19.
 Importance des CYP et des P-gp  importance d’une TDM
chez la femme enceinte sous sertraline
P-gp et rispéridone :
La rispéridone est un substrat à forte affinité pour les P-gp :
Le rapport conc. Risp et 9-OH risp. dans le cerveau et le plasma de
souris KO ou normales est de 14 et 11 respectivement.
P-gp et Méthadone (R et S) (P-gp substrat) :
Tt méthadone : grandes variabilités interindividuelles.
Les conc. cérébrales de R et S-Méthadone sont 15 et 23 x plus
élevées chez les souris KO.
Les P-gp limitent fortement l’entrée de la méthadone dans le cerveau
et elles peuvent être source de variation de ses effets dans le cerveau.
CYP 450 ET POLYMORPHISME GENETIQUE
DU METABOLISME D’OXYDATION
Distribution de fréquence d’allure trimodale
3 phénotypes
 métaboliseurs lents (PM) : indice de métabolisation (MR) > 12,6
5-10 % population “ caucasienne ”
 intermédiaires (EM) : 0,2 < MR < 12,6
 ultrarapides (UM) : MR < 0,2
LE POLYMORPHISME GENETIQUE
DU METABOLISME D’OXYDATION
Y Conséquences cliniques
- Métaboliseurs lents
accumulation de la molécule, plus sujets aux effets indésirables
pas d’effet thérapeutique des prodrogues
exemple : absence d’effet analgésique de la codéine
codéine  morphine

CYP 2D6
- Métaboliseurs ultra rapides : absence de réponse thérapeutique
LE POLYMORPHISME GENETIQUE
DU METABOLISME D’OXYDATION
Y Support génétique
méchanismes moléculaires du polymorphisme génétique
A - simple nucléotide
dans une région codante : substitution d’acides aminés
dans une région non codante :
séquence de régulation : sous ou sur production
de protéines actives
intron : ARNm inapproprié, erreurs post
traductionnelles, modification d ’activité enzymatiques
B - délétion, duplication génique
Y exemple de l’allèle *4B du CYP 2D6
5’
3’
exon 3
exon 4
G = >A
enzyme normale : 497 aa
enzyme mutée *4B : 181 aa, inactive
Mutations les plus communes du CYP2D6
Figure 4. Pharmacogenetics of Nortriptyline.
Mean plasma concentrations of nortriptyline after a single 25-mg oral dose are shown in subjects with 0, 1, 2, 3, or 13 functional CYP2D6 genes.
Modified from Dalén et al.23 with the permission of the publisher.
Slide 58. Regulatory Mechanisms of CYP3A and MDR1 Expression
The pregnane X receptor (PXR), also known as steroid and xenobiotic-sensing receptor (SXR),
heterodimerizes with the retinoid X receptor (RXR). This heterodimer binds response elements
upstream of the MDR1 and CYP3A genes. In this way, PXR can increase the transcription of
CYP3A[37] and MDR1.[38] Moreover, binding motifs for the PXR have been identified on multiple
rat CYP enzymes (CYP3A1, -3A2, -1A6, -2A1, -2A2, -2C6) as well as a P450 coenzyme, NADPH
reductase.[39]
Héritabilité = part de la contribution des facteurs génétiques dans les différences interindividuelles.
Elle ne concerne jamais un individu mais un groupe. Elle désigne la part des gènes dans les différences individuelles.
Les différences individuelles (le phénotype) sont un mélange d’influences, en partie héritées et transmissibles, en partie acquises
(apprentissage ou environnement).
C’est la proportion du génotype dans le phénotype d’une population. L’héritabilité est tjs une proportion.
NRG1 : neuregulin 1; DTNBP1 : dysbindin; RGS4 : regulator G-protein signaling 4;
COMT : catechol-o-methyltransferase; PRODH : prolin deshydrogenase;
DISC1 : disrupted-in-schizophrenia.
+++ = at least three positive studies.
Proline eseentielle pour
synthèse glutamate et
GABA.
Cependant, passer au crible les 10 millions de SNP courants qui
se trouvent dans les chromosomes d’un patient serait un
processus extrêmement coûteux.
Pour la schizophrénie, des dizaines voire des centaines de
variables génétiques sont quelque peu prédictives du risque de
schizophrénie mais aucune n’est cliniquement utile par ellemême.
Il s’agit d’examiner ces gènes qui ont tous un petit effet et de créer
un algorithme pour prédire les risques éventuels.
Le développement de HapMap permettra aux généticiens de tirer
profit de l’organisation des SNP et des autres variations
génétiques dans les chromosomes.
Maladie d’Alzheimer : dépistage plus tôt.
Autisme : prédispositions : chaque point correspond à un locus lié
positivement à l’autisme.
Ethanol : Pharmacogénétique
Grande variabilité de l’ADME de l’alcool due aux facteurs
génétiques et environnementaux.
CYP2E1 augmenté dans l’alcoolisme chronique et des
polymorphismes du CYP2E1 seraient impliqués dans certains
cancers (estomac) et pancréatites chez l’éthyl.
7 gènes encodent pour l’ADH dont 2 polymorphes : L’ADH2*1 2x
moins vite que le ADH1 (wt) et l’ADH2*2 métabolise 15x plus
vite que le wt avec risque d’accumulation toxique
d’acétaldéhyde.
2 gènes encodent pour l’ALDH avec 2 allèles dont un est inactif;
rare chez les caucasiens, il est présent chez 40% des orientaux
avec risque d’accumulation d’acétaldéhyde.
5HTTLPR : transporteur de la sérotonine: avec le génotype s/s
 efficacité SSRI et  anxiété, insomnies (« génétiques » où les
hypnotiques ne sont pas indiqués rechutes), problèmes sexuels,
comportements sociaux.
HLA : Human Leukocytes Antigens systems
Le chromosome 6 contient une région connue comme : MHC =
major histocompatibility complex. 60% des gènes de cette région
codent pour des protéines impliquées dans les réponses
immunologiques dont le système HLA, vital pour nos défenses
antiinfectieuses.
Afin de couvrir le large spectre antiinfectieux, c’est le système le
plus polymorphe du génome humain.
Malheureusement, cette large variabilité augmente aussi le risque
de développements aberrants chez certains individus pouvant
mener à des maladies auto-immunes et dans le cas de
médicaments, à des réactions allergiques sévères.
HLA : human leukocytes antigens systems.
Examples of HLA alleles and halotypes associated with ADRs
Allele or haplotype
Drug
ADR associated with HLA
HLA-B*1502
Carbamazepine
Stevens-johnson syndrome
HLA-DRB1 *1501, HLA-DQB1 *0602,
HLA-DRB5*0101
Amoxicillin-clavulanic acid
Hepatitis
HLA-DQ7
Pyrazolones
Pyrazolone hypersensitivity
HLA-A29, HLA-B12,
HLA-DR7
Sulfonamides
Toxic epidermal necrolysis
HLA-B38, HLA-DR4,
HLA-DQ3, HLA-Cw*7, HLA-DQB
*0502, HLA-DRB*0101,
HLA-DRB3 *0202
Clozapine
Agranulocytosis
HLA-B *5701,
HLA-DR7, HLA-DQ3
Abacavir
Abacavir hypersensitivity reactionj
HLA-DR4
Hydralazine
Systemic lupus erythematosus
Table 1. Examples of Genetic Polymorphisms Affecting Drug Response
†Variable
Gene
Name
B2AR
β2-adrenergic receptor
Allele of AA change
Effect on phenotype
Arg16/Gly
Reduced response to β2 agonists
Gln27/Glu
Increased response to β2 agonists
B1AR
β1-adrenergic receptor
ALOX5
5-lipoxygenase
LTC4S
Leukotiene C4 synthase
GNB3
G-protein B3
C825T
Increased response to sibutramine in T/C;TT subjects
LIPC
Hepatic lipase
C514T
Reduced response to statins in T/C;T/T subjects
UGTA1
UDP-glucoronosyl transferase1A1
UGRA1*28
Increased toxicity to irinotecan
TYMS
Thymidylate synthase
TSER*2/*3
Reduced response to 5-fluorouracil
MTHFR
Methylene tetrahydrofolate reductase
C677T
Increased toxicity to methotrexate
ABCB1
P-glycoprotein-1 (MDR1)
C343T
Decreased response to antiepileptic drugs
AGT
Angiotensinogen
M235T
Increased response to antihypertensive drugs
DRD3
Dopamine D3 receptor
S9G
Reduced response to clozapine
HTR2A
Serotonin receptor 2A
H452Y
Reduced response to clozapine
number tandem repeat in promoter. AA: Amino acid
R389G
GGGCGG†
A2444C
Reduced response to β-agonists
Reduced response to leukotrienes
Increased response to zafirlukast in C/A;CC
Central Orexigenic
NPY, Melanin,
AgoutiRP
Orexins, galanin
Central Anorectic :
CART, glucagon,
Melanocortins,
CRF, 5HT,
Neurotensin.
Periph Orexigenic
Ghrelin.
Periph Anorexic.
PYY, Leptin,
Insulin,
Cholecystokinin.
CART = cocaine
amphetamine
regulated
transcript.
APPROCHES INDUSTRIELLES
• OUTILS BIOINFORMATIQUES : pour analyser la
carte du génome humain.
• OUTILS DE SEQUENCAGES : pour générer les biomarqueurs.
• OUTILS DE GENOTYPAGE : pour comparer les
polymorphismes entre les populations.
• OUTILS BIOSTATISTIQUES : pour étudier
l’association des biomarqueurs et des gènes aux
caractéristiques cliniques.
BIOMARQUEUR GENOMIQUE.
= caractéristique mesurable de l’ADN ou ARN qui est un
indicateur :
-de diagnostic : le biomarqueur permet d’identifier une maladie.
-de pronostic : détermine l’évolution prévisible de la maladie.
-de dynamique : rend compte de l’effet du médicament.
-de toxicité : analyse les effets indésirables.
-de pathologie : mesure de la maladie, de ses conséquences.
On parle de puce à ADN, puce à gènes, biopuce, biochips,
microchips, DNA-microarrays, microarrays
UGT 1A1 Polymorphismes.
Uridine Diphosphate glucuronyl transférase.
US : 3 notices avec recommandations pour testing pharmacogénétique :
Irinotecan (campto), 6-mercaptopurine (imuran), warfarin.
UGT : superfamille enzymes (17) de glucuroconjugaison.
Très polymorphique : 60 isoformes.
Irinotecan (inhibiteur de topoisomérases) : prodrug  SN-38, mét.
Actif conjugué par UGT 1A1. Si allèle UGT 1A1*28 (TA)7 au lieu
de (TA)6 pour le WT : UGT 1A1*1  activité – 70% 
neutropénie,diarrhées sévère, bilirubine ++.
Allèle UGT 1A1*16 (GlyArg) : activité – 40%
Irinotecan aussi substrat pour P-gp  att. polymorphisme ABCB1.
Les inhibiteurs des protéases inhibent le UGT 1A1  bilirubine ++ et
att. ictère.
UGT 1A1 testing : 255 usd
TESTS GENETIQUES : UTILES OU ARNAQUE ?
Dans la grande majorité des cas (plus de 1000 tests recensés aux
USA) = ARNAQUE ! Il faudrait analyser 1500 protéines !!!!
Rares sont les tests validés par la FDA : UGTA1, Chips CYP450…
Les autres n’ont aucune valeur prédictive individuelle : difficulté
d’interpréter les données : un SNP identique peut être sérieux
chez une personne et bénin chez une autre en fonction de la race,
de l’environnement, de la pathologie…
Par contre, utilité pour les maladies monogéniques (environ 50 dont
20 sont génétiquement identifiée (huntington, dystrophie,
mucoviscidose, hémophilie, phénylacétonurie, anémie falciforme
etc..).
Si nous pouvions tout prédire, nous irions vers une Société sans
espoir…..
UGT 1A1 : Substrats, Inducteurs et Inhibiteurs.