施奈德角膜營(yíng)養(yǎng)不良致病基因的研究進(jìn)展

譚健文 張朝然

1924年，法國(guó)眼科醫(yī)師van Went和Wibaut首先報(bào)道了1個(gè)3代遺傳的家系，患病成員表現(xiàn)為雙眼角膜混濁。1929年，瑞士眼科醫(yī)師施奈德發(fā)現(xiàn)了有同樣表現(xiàn)的另一個(gè)連續(xù)3代家系，以后此病被名為施奈德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良(Schnyder crystalline corneal dystrophy，SCCD)。其后，眾多研究表明SCD的出現(xiàn)可不伴有角膜結(jié)晶狀沉積，故國(guó)際委員會(huì)將SCCD改名為SCD［1］。這種角膜營(yíng)養(yǎng)不良很罕見，報(bào)道過的文獻(xiàn)至今為止少于150 篇［2］。

1 SCD

1.1 臨床表現(xiàn) SCD表現(xiàn)為常染色體遺傳，男女患病概率均等。通常在20歲左右起病，少數(shù)可＜10歲［3］。大部分文獻(xiàn)［3］報(bào)道的SCD為高加索人，國(guó)內(nèi)僅報(bào)道過4代SCD家系［4-6］。

患者因角膜混濁導(dǎo)致視力下降以及結(jié)晶樣物質(zhì)累積在角膜上引起眩光而就診。裂隙燈下角膜呈現(xiàn)中央基質(zhì)霧狀混濁以及角膜緣環(huán)狀混濁，角膜緣混濁似老年環(huán)。約54%患者出現(xiàn)特征性結(jié)晶樣沉積［2-3］，結(jié)晶樣沉積有助于疾病的診斷。角膜混濁程度隨年齡增長(zhǎng)而加重。據(jù)文獻(xiàn)［2］報(bào)道，SCD患者角膜混濁程度是有預(yù)測(cè)性的，年齡＜23歲只出現(xiàn)中央角膜基質(zhì)混濁，可伴有或不伴有中央角膜上皮下結(jié)晶樣沉積;23～39歲時(shí)發(fā)展為角膜緣環(huán)狀混濁;＞39歲開始出現(xiàn)中央周圍角膜基質(zhì)全層混濁。但大多數(shù)患者直到中年仍可保持良好的視力。其他體征比較罕見，包括膝外翻、脊椎和手指的畸形［2-3］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約2/3的SCD患者常伴有高膽固醇血癥和高甘油三酯血癥。但最近的研究表明血液中脂質(zhì)異常與角膜結(jié)晶形成并無直接關(guān)系，角膜混濁的進(jìn)程與血清脂質(zhì)水平也無直接關(guān)系。SCD的發(fā)生僅提示患者可能存在局部膽固醇代謝缺陷［7-9］。

共聚焦顯微鏡顯示前彈力層上出現(xiàn)異常的上皮下神經(jīng)叢，并出現(xiàn)彎曲狀和柱梁狀結(jié)構(gòu)，大量結(jié)晶樣物質(zhì)沉積在前彈力層上。前層基質(zhì)出現(xiàn)結(jié)晶樣物質(zhì)累積并延伸到中層基質(zhì)，結(jié)晶樣物質(zhì)的形狀呈針形和直角形。相干光斷層掃描亦顯示結(jié)晶樣沉積物主要出現(xiàn)在前層基質(zhì)，可以從上皮基底層延伸至100～150μm 深的基質(zhì)［5］。

1.2 生物化學(xué)和組織病理學(xué)特點(diǎn) 患者角膜組織分析顯示非酯化的膽固醇水平增加約10倍，磷脂增加5～9倍［10］。脂質(zhì)存在于上皮基底、前彈力層、基質(zhì)全層，偶爾會(huì)出現(xiàn)在角膜內(nèi)皮［4-5］。高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)的載脂蛋白成分(apoA，A-11，E)大量累積在角膜中央［10］。

蘇丹黑或油紅O染色能使酯化膽固醇染色［11］，而菲律賓菌素只能使未酯化膽固醇染色［12］。通過這些特殊染色，可顯示角膜組織上主要的沉積成分是未酯化膽固醇或是其他脂質(zhì)［11-12］。電子顯微鏡下，顯示溶解的脂質(zhì)在角膜上皮下擴(kuò)散，并遍布基質(zhì)，偶爾會(huì)擴(kuò)散至內(nèi)皮［13-14］。

2 UBIAD1基因突變與SCD

2.1 致病基因UBIAD1的發(fā)現(xiàn) 通過對(duì)2個(gè)具有瑞典-芬蘭血統(tǒng)SCD患者的家系研究，Weiss等首次于1996年將SCD的致病基因定位在一號(hào)染色體的短臂上。連鎖分析和單倍體分析結(jié)果提示，致病基因座可能位于D1S2622和D1S228之間，其遺傳距離為16cm(厘摩)［15］。Theendakara等通過多個(gè)SCD家系分析，將致病基因定位在D1S1635和D1S1160之間一個(gè)2.32 Mbp區(qū)域內(nèi)。但Aldave等［16］在這2.32 Mbp間隔中所有被標(biāo)記的基因里，沒有發(fā)現(xiàn)致病基因。這個(gè)結(jié)果可能由致病基因的異質(zhì)性造成的;或突變的范圍可能在未被翻譯的區(qū)域里;或者該區(qū)域內(nèi)存在未被發(fā)現(xiàn)的基因;或者家系分析時(shí)對(duì)患者表型的錯(cuò)誤分類，造成連鎖分析基因定位錯(cuò)誤［17］。事實(shí)上通過對(duì)之前SCD家系臨床資料的進(jìn)一步分析，剔除了被錯(cuò)誤分類的家系成員。Weiss將候補(bǔ)間隔邊界轉(zhuǎn)移至DIS2667到DIS1635范圍里。其擴(kuò)充的候補(bǔ)區(qū)間，包括了Clorf127(染色體開放閱讀框架127)，TARDBP(TAR DNA結(jié)合蛋白)，MASP2(甘露糖結(jié)合凝集素絲氨酸肽酶)，SRM(精脒合酶)，EXOSC10(外來體組件10)，F(xiàn)RAP1(FK506結(jié)合蛋白西羅莫司相關(guān)蛋白1)，ANGPL7(血管生成素樣物質(zhì)7)，UBIAD1(UbiA含異戊二烯基轉(zhuǎn)移酶區(qū)域 1)和 LOC39906。Orr等［9］首先確定，SCD 的發(fā)生是由UBIAD1基因突變引起的。

2.2 UBIAD1基因及其表達(dá)蛋白的功能 UBIAD1是一種具有高度保守性的基因，其基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在包括角膜在內(nèi)的許多人體正常組織中表達(dá)［7，9］。

人類UBIAD1基因長(zhǎng)度為22 kb，其基因座有2個(gè)外顯子，編碼蛋白質(zhì)UBIAD1。UBIAD1含有1個(gè)潛在的異戊二烯轉(zhuǎn)移酶區(qū)域和8個(gè)跨膜區(qū)［7］，vUBIAD1存在于線粒體而非內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中［14］。UBIAD1的異戊二烯轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域在膽固醇的代謝中發(fā)揮作用。UBIAD1可以與載脂蛋白E的C末端部分相互作用，這種相互作用在膽固醇的反向轉(zhuǎn)運(yùn)中起到重要作用，因?yàn)檫@一過程可以輔助膽固醇的溶解以及從細(xì)胞中的清除［18］。因此，UBIAD1與脂質(zhì)代謝密切相關(guān)。此外vUBIAD1與維生素K、輔酶 Q、亞鐵血紅素、長(zhǎng)醇的生物合成有關(guān)［19］。Mcgarvey等［17］證實(shí)在前列腺腫瘤和膀胱癌中，該基因的表達(dá)大大降低，因此亦被認(rèn)為是一種抑癌基因。

2.3 UBIAD1突變的種類 2007年Orr等［9］報(bào)道了對(duì)5個(gè)患有SCD家系的基因遺傳分析，在UBIAD1基因里發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)有著錯(cuò)義突變的氨基酸殘基，包括Asn102Ser(N102S)，Asp112Gly(D112G)，Arg119Gly(R119G)，Thr175Ile(T175I)，Asn232Ser(N232S)和Ser75Phe。如Asn102Ser，即原本的天冬酰胺在密碼子102上變換成絲氨酸，也可用N102S來表示。前5個(gè)錯(cuò)義突變的氨基酸殘基是具有致病性的，而Ser75Phe沒有致病性［9］。同年，Yellore等［8］對(duì)3個(gè)SCD先證者進(jìn)行了基因遺傳分析，也發(fā)現(xiàn)了3個(gè)具有致病性的錯(cuò)義突變氨基酸殘基，分別是Asn102Ser，Leu121Val(L121F)和 Arg119Gly(R119G)，并再次證實(shí)了Ser75Phe沒有致病性。2007年 Weiss等［7］對(duì)6個(gè)患有SCD的家庭進(jìn)行了基因分析，結(jié)果顯示突變均發(fā)生在UBIAD1基因里，其中5個(gè)家庭均有N102S變異，只有1個(gè)家庭是G177R突變。現(xiàn)今已被報(bào)道氨基酸殘基的變異類型有22種，包括N102S，N232S，D112G，N233H，G177R，G186R，G98S，D118G，D112N，D236E，D240N，R119G，L121V，L121F，L188H，S171P，T175I，A97T，Y174C，V122E，V122G，K181R［6］。熱點(diǎn)常發(fā)生在N102S，其次是G177R［20］。近年有報(bào)道顯示SCD發(fā)生在中國(guó)，其中3 代 SCD 家系的突變位點(diǎn)分別是 G98S［5］，S171P［4］和N102S［6］;而中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)亦出現(xiàn)了2例SCD患者，研究證實(shí)突變位點(diǎn)分別是N102S和G177R［5］。氨基酸殘基變異的類型眾多，意味著變異存在著異質(zhì)性［3］。

2.4 UBIAD1突變導(dǎo)致脂質(zhì)/膽固醇在角膜中沉積的可能機(jī)制

2.4.1 膽固醇合成增加 UBIAD1基因所編碼的蛋白質(zhì)包含異戊二烯轉(zhuǎn)移酶區(qū)域，此區(qū)域?qū)⑿》肿覩蛋白中的Ras蛋白超家族進(jìn)行異戊二烯化修飾后，合成牻牛兒基牻牛兒醇(geranylgeraniol)［21］。而牻牛兒基牻牛兒醇是膽固醇合成過程限速酶HMG-CoA還原酶的抑制劑，故此可以調(diào)節(jié)膽固醇的合成［22］。而SCD的UBIAD1基因突變往往發(fā)生在異戊二烯轉(zhuǎn)移酶區(qū)域，從而使UBIAD1調(diào)節(jié)膽固醇合成的功能發(fā)生障礙，角膜組織里膽固醇的合成增加［7］?；谶@個(gè)推論，肝臟及其他組織中膽固醇合成也會(huì)增加，這將下調(diào)低密度脂蛋白受體的表達(dá)，而低密度脂蛋白受體又介導(dǎo)血液中低密度脂蛋白的清除，這就解釋了部分SCD患者血清中低密度脂蛋白為何常常處于較高的水平［7］。

2.4.2 膽固醇清除減少 Burns等通過研究發(fā)現(xiàn)，角膜組織有一種主動(dòng)攝取和儲(chǔ)存膽固醇的功能。但在正常情況下，角膜中并沒有多余膽固醇沉積，這依賴于HDL有將肝外細(xì)胞內(nèi)膽固醇運(yùn)送至肝臟的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)功能。HDL的成分包括載脂蛋白及磷脂［10］，其中載脂蛋白E(apoE)的C端可與UBIAD1相互作用［17］，在溶解和轉(zhuǎn)移膽固醇的過程中發(fā)揮作用［18］。

UBIAD1基因突變導(dǎo)致的氨基酸置換往往發(fā)生在UBIAD1蛋白親水性的部分，或者在跨膜的螺旋結(jié)構(gòu)上，這兩個(gè)部位都非常接近細(xì)胞膜雙磷脂分子層上具有生物活性的結(jié)合位點(diǎn)［18，23］。突變的氨基酸殘基與活性部位結(jié)合后會(huì)使UBIAD1的催化能力下降或喪失，故突變后的UBIAD1基因能使所編碼的蛋白質(zhì)功能下降或消失［18］。喪失功能的 UBIAD1不能與apoE相互作用并使其發(fā)生異戊二烯化，導(dǎo)致apoE功能障礙，從而導(dǎo)致apoE不能移除細(xì)胞內(nèi)的膽固醇和間接溶解膽固醇［23］，即影響了膽固醇在細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡，最終導(dǎo)致膽固醇累積在角膜組織上。角膜組織中膽固醇累積又誘導(dǎo)角膜細(xì)胞表面HDL結(jié)合位點(diǎn)上調(diào)，角膜細(xì)胞結(jié)合HDL并通過HDL把磷脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至角膜細(xì)胞內(nèi)，所以在SCD角膜組織中發(fā)現(xiàn)HDL和磷脂含量亦高于正常［3］。

3 問題與展望

盡管研究者們對(duì)SCD做出了多方面的研究，但仍有眾多問題未能解決，尤其是確切的發(fā)病機(jī)制尚未闡明。UBIAD1基因可以在全身組織中表達(dá)，但其突變導(dǎo)致的脂質(zhì)代謝異常為何主要表現(xiàn)在角膜上有膽固醇的沉積，甚至對(duì)SCD患者結(jié)膜及皮膚的相關(guān)研究亦未證實(shí)有脂質(zhì)代謝異常。UBIAD1基因突變種類較多，而SCD的表型也有多種，基因型和表型之間有何種聯(lián)系也是今后研究需要關(guān)注之處。

［1］Ingraham HJ，Perry HD，Donnenfeld E D，et al.Progressive Schnyder＇s corneal dystrophy［J］.Ophthalmology，1993，100(12):1824-1827.

［2］Weiss JS.Schnyder corneal dystrophy［J］.Curr Opin Ophthalmol，2009，20(4):292-298.

［3］Weiss JS.Visual morbidity in thirty-four families with Schnyder crystalline corneal dystrophy(an American Ophthalmological Society thesis)［J］.Trans Am Ophthalmol Soc，2007，105:616-648.

［4］Mehta JS，Vithana E N，Venkataraman D，et al.Surgical management and genetic analysis of a Chinese family with the S171P mutation in the UBIAD1 gene，the gene for Schnyder corneal dystrophy［J］.Br J Ophthalmol，2009，93(7):926-931.

［5］Jing Y，Liu C，Xu J，et al.A novel UBIAD1 mutation identified in a Chinese family with Schnyder crystalline corneal dystrophy［J］.Mol Vis，2009，15:1463-1469.

［6］Du C，Li Y，Dai L，et al.A mutation in the UBIAD1 gene in a Han Chinese family with Schnyder corneal dystrophy［J］.Mol Vis，2011，17:2685-2692.

［7］Weiss JS，Kruth HS，Kuivaniemi H，et al.Mutations in the UBIAD1 gene on chromosome short arm 1，region 36，cause Schnyder crystal-line corneal dystrophy［J］.Invest Ophthalmol Vis Sci，2007，48(11):5007-5012.

［8］Yellore VS，Khan MA，Bourla N，et al.Identification of mutations in UBIAD1 following exclusion of coding mutations in the chromosome 1p36 locus for Schnyder crystalline corneal dystrophy［J］.Mol Vis，2007，13:1777-1782.

［9］Orr A，Dube MP，Marcadier J，et al.Mutations in the UBIAD1 gene，encoding a potential prenyltransferase，are causal for Schnyder crystalline corneal dystrophy［J］.PLoS One，2007，2(8):e685.

［10］Gaynor PM，Zhang WY，Weiss JS，et al.Accumulation of HDL apolipoproteins accompanies abnormal cholesterol accumulation in Schnyder＇s corneal dystrophy［J］.Arterioscler Thromb Vasc Biol，1996，16(8):992-999.

［11］Rodriguesmm，Kruth HS，Krachmer JH，et al.Cholesterol localization in ultrathin frozen sections in Schnyder＇s corneal crystalline dystrophy［J］.Am J Ophthalmol，1990，110(5):513-517.

［12］Mccarthy M，Innis S，Dubord P，et al.Panstromal Schnyder corneal dystrophy.A clinical pathologic report with quantitative analysis of corneal lipid composition［J］.Ophthalmology，1994，101(5):895-901.

［13］NickersonmL，Kostiha BN，Brandt W，et al.UBIAD1 mutation alters a mitochondrial prenyltransferase to cause Schnyder corneal dystrophy［J］.PLoS One，2010，5(5):e10760.

［14］Mehta JS，Vithana EN，Venkataraman D，et al.Analysis of conjunctival fibroblasts from a proband with Schnyder corneal dystrophy［J］.Mol Vis，2008，14:1277-1281.

［15］Shearman AM，Hudson TJ，Andresen JM，et al.The gene for schnyder＇s crystalline corneal dystrophy maps to human chromosome 1p34.1-p36［J］.Hummol Genet，1996，5(10):1667-1672.

［16］Aldave AJ，Rayner SA，Principe AH，et al.Analysis of fifteen positional candidate genes for Schnyder crystalline corneal dystrophy［J］.Mol Vis，2005，11:713-716.

［17］Mcgarvey TW，Nguyen TB，Malkowicz SB.An interaction between apolipoprotein E and TERE1 with a possible association with bladder tumor formation［J］.J Cell Biochem，2005，95(2):419-428.

［18］NickersonmL，Kostiha BN，Brandt W，et al.UBIAD1 mutation alters a mitochondrial prenyltransferase to cause Schnyder corneal dystrophy［J］.PLoS One，2010，5(5):e10760.

［19］Nakagawa K，Hirota Y，Sawada N，et al.Identification of UBIAD1 as a novel human menaquinone-4 biosynthetic enzyme［J］.Nature，2010，468(7320):117-121.

［20］Weiss JS，Kruth HS，Kuivaniemi H，et al.Genetic analysis of 14 families with Schnyder crystalline corneal dystrophy reveals clues to UBIAD1 protein function［J］.Am J Med Genet A，2008，146(3):271-283.

［21］Lane KT，Beese LS.Thematic review series:lipid posttranslational modifications.Structural biology of protein farnesyltransferase and geranylgeranyltransferase type I［J］.J Lipid Res，2006，47(4):681-699.

［22］Sever N，Song B L，Yabe D，et al.Insig-dependent ubiquitination and degradation of mammalian 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase stimulated by sterols and geranylgeraniol［J］.J Biol Chem，2003，278(52):52479-52490.

［23］Weiss JS，Kruth HS，Kuivaniemi H，et al.Genetic analysis of 14 families with Schnyder crystalline corneal dystrophy reveals clues to UBIAD1 protein function［J］.Am J Med Genet A，2008，146(3):271-283.