先天性隱眼遺傳致病基因研究現(xiàn)狀

張夏茵，王婧薈，龍爾平，吳曉航，李王婷，王東妮，林浩添

(中山大學中山眼科中心，眼科學國家重點實驗室，廣東廣州510060)

·專家述評·

先天性隱眼遺傳致病基因研究現(xiàn)狀

張夏茵，王婧薈，龍爾平，吳曉航，李王婷，王東妮，林浩添

(中山大學中山眼科中心，眼科學國家重點實驗室，廣東廣州510060)

先天性隱眼是一種終生致盲致畸的罕見眼病，發(fā)病機制至今未完全明確．患兒出生即表現(xiàn)雙眼瞼缺失，眼眶表面完全被連續(xù)性皮膚覆蓋，眼眶內(nèi)僅有眼球遺跡或完全無眼球．先天性隱眼與遺傳致病基因異常密切相關(guān)，目前已發(fā)現(xiàn)三個隱眼遺傳致病基因FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1分別定位于4號、13號和12號染色體的長臂上．本文回顧近年國內(nèi)外先天性隱眼的病例報告及遺傳學研究成果，對以上三個遺傳致病基因的位置結(jié)構(gòu)、功能及突變的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，為隱眼遺傳學發(fā)病機制的進一步研究及其在產(chǎn)前診斷中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供參考．

先天性隱眼;隱眼畸形綜合癥;遺傳致病基因; FRAS1;FREM2;GRIP1

0 引言

先天性隱眼(congenital cryptophtalmos)是一種終生致盲致畸的罕見眼病，又稱無瞼癥，由Zehender于1872年首次報道，患病率為3/100 000～14/100 000［1－2］．一般為常染色體隱性遺傳，可單眼或雙眼發(fā)?。?］．隱眼患者表現(xiàn)為眼球和眼瞼部位先天畸形，眼球常被連續(xù)性的皮膚所遮蓋而無瞼裂，僅有眼球遺跡或完全無眼球．眼球前部多存在一個泡形結(jié)構(gòu)，內(nèi)有晶體的殘留和玻璃體，眼球后部幾乎正常．患者眼窩可觸摸到皮下有一定活動度的球形物．有些病例在強光刺激時可見到因眼輪匝肌反射性收縮造成的皮膚皺縮，并對光源有一定的跟隨運動，提示這些患者可能尚有光感［4－6］．然而，因為得不到光的刺激，患兒的光感逐步衰退直至完全喪失．隱眼雖可以是一個獨立的臨床表型，但常作為隱眼畸形綜合癥(fraser syndrome，F(xiàn)S;OMIM 219000)的各種臨床表型之一出現(xiàn)［7］．FS由Fraser在1962年首次描述并命名［8］，是一種罕見的常染色體隱性遺傳疾病，家族性畸形多見［9］．表現(xiàn)為隱眼合并多種其它先天異常，如皮膚性并指(趾)畸形、泌尿生殖器畸形、鼻畸形、牙齒畸形、腭裂、面部和眶骨發(fā)育不全、耳聾、腦膜膨出、智力遲鈍等［10－11］．

隨著基因測序成本的下降和臨床篩查及轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究的普及推廣，目前已經(jīng)證實隱眼的發(fā)生與遺傳致病基因突變?nèi)?號、13號以及12號染色體長臂上的基因FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1異常有關(guān)［8，12－14］．近年來，國外許多學者對以上三種基因進行了結(jié)構(gòu)和功能探索，但多數(shù)僅限于臨床病例報道而尚未有遺傳學的基因發(fā)病機制研究．本文將對隱眼遺傳致病基因的位置結(jié)構(gòu)、功能及突變的研究現(xiàn)狀進行綜述，為明確隱眼的發(fā)病機制、推動臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用，并最終杜絕這類重大的先天遺傳缺陷患兒的出生奠定重要基礎(chǔ)．

1 基因位置、結(jié)構(gòu)

目前，已證實的FS致病基因按照發(fā)現(xiàn)的時間順序分別是4號、13號以及12號染色體長臂上的基因FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1，其中FRAS1基因是FS的主要致病基因，檢測出FREM2和GRIP1異常的比例大致相等．

2003年McGregor在6家系14位患者中發(fā)現(xiàn)FRAS1基因突變，通過對基因庫的BLAST分析確定患者FRAS1基因的外顯子突變情況［11］．FRAS1基因位于染色體4q21．21上，由74個外顯子組成，與編碼細胞外基質(zhì)蛋白的基因存在序列相似性［15］．在胚胎和成人的多種上皮組織以及腎臟、胰腺和丘腦中均有表達．

2005年Jadeja等［16］在FS動物模型——小鼠my (myelencephalic blebs)品系中發(fā)現(xiàn) FREM2基因突變，并在2家系2位FS患者中通過直接測序FREM2基因外顯子發(fā)現(xiàn)了核苷酸 5914G＞A(H)突變．FREM2基因位于染色體13q13．3上，由24個外顯子組成，其中外顯子4編碼了超過一半的氨基酸．相比表皮發(fā)育過程中FRAS1基因在表皮的高度表達，F(xiàn)REM2基因在濾泡間區(qū)的表達量較少，但在內(nèi)胚層、外胚層和一系列重要的神經(jīng)信號中心(包括背側(cè)前腦的中線、中腦和后腦邊界)有動態(tài)表達．

2012年Vogel等［17］基于細胞分子水平及GRIP1基因敲除小鼠模型的前期研究，第一次在無FRAS1和FREM2基因異常的2家系2位FS患兒血中檢測出GRIP1基因突變．患者GRIP1基因外顯子結(jié)構(gòu)異常直接導致轉(zhuǎn)錄異常和翻譯蛋白縮短，從而影響Grip1蛋白生物功能引發(fā)FS表型．GRIP1基因位于染色體12q14．3上，由24個外顯子組成，編碼含7個PDZ(postsynaptic density-95/discs large/zona occludens-1)結(jié)構(gòu)域的胞質(zhì)支架蛋白，連接Fras1蛋白和Frem2蛋白的C-末端殘基［8］．在胚胎早期發(fā)育過程中GRIP1基因表達與細胞和細胞外基質(zhì)間相互作用密切相關(guān)．GRIP1基因在發(fā)育中的神經(jīng)系統(tǒng)等多區(qū)域表達，也與其在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運過程中扮演的多種角色有關(guān)．

目前發(fā)現(xiàn)還有一部分先天性隱眼與 FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1的突變無關(guān)，推測仍有其他的可導致隱眼發(fā)病的致病基因存在．2009年Carney等［18］在FS動物模型-斑馬魚魚鰭突變體中利用候選基因預(yù)測與測序分析、定位克隆等技術(shù)發(fā)現(xiàn) HMCN1和FBN2基因異常，猜測它們可能是FS的重要候選基因．VWA2基因也可能與隱眼發(fā)生相關(guān)，Richardson等［19］在2013年發(fā)現(xiàn)FRAS1基因表達異常的斑馬魚和小鼠模型中均缺失了可與Fras1直接作用的AMACO (matrilins and collagens)蛋白，AMACO蛋白由VWA2基因編碼，阻礙VWA2基因表達導致FRAS1突變斑馬魚的表型更加嚴重．但以上HMCN1、FBN2和VWA2基因變異在隱眼患者中尚未得到證實．

2 基因的功能

FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1三種基因功能目前均已在分子層面明確，得到了小鼠活體模型的驗證，并在FS患者中發(fā)現(xiàn)基因異?？蓪е鲁霈F(xiàn)經(jīng)典的隱眼表型［17］．它們通過表達Fras1，F(xiàn)rem2和Grip1三種蛋白影響組織的結(jié)構(gòu)完整和器官發(fā)育過程中上皮和間質(zhì)間的相互聯(lián)系．

Fras1蛋白與Frem2蛋白同為位于細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的多域跨膜蛋白，是致密層下區(qū)的重要組成成分，均有連續(xù)硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycan，CSPG)模體和多個CalX-β結(jié)構(gòu)域(圖1)，與具有細胞粘附功能的跨膜蛋白——鈣粘素的結(jié)構(gòu)相像．CSPG模體可結(jié)合鈣離子、bFGF以及PDGF-AA，并發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，其中與鈣離子的結(jié)合對于FREM2基因發(fā)揮功能是必需的［11，16］，而CalX-β結(jié)構(gòu)域的功能尚不清楚．

Fras1與Frem2兩種蛋白在細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成和信號傳遞網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用［11］．Kiyozumi等［20］發(fā)現(xiàn)Frem2作為中間蛋白可與Fras1，F(xiàn)rem1相互作用形成穩(wěn)定的Fras1/Frem蛋白復合物定位在基底膜上．Fras1蛋白與Frem2蛋白不僅是ECM的構(gòu)成成分，同時對細胞外環(huán)境中各生長因子的活動起調(diào)控作用．膠原Ⅶ是致密層下一種主要的錨定成分，F(xiàn)ras1蛋白與Frem2蛋白對于僅在胚胎發(fā)育晚期增多的膠原Ⅶ起補償作用［14］，也與膠原Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、堿性成纖維細胞生長因子、血小板源性生長因子間作用密切［8］．ECM蛋白通過彼此間的相互協(xié)作主要調(diào)節(jié)細胞的遷移、增殖、分化以及細胞間信號轉(zhuǎn)導等，這些功能在胚胎發(fā)育的過程中非常重要［21］．Fras1/Frem蛋白復合物與胚胎期上皮和間充質(zhì)細胞間的相互作用密切相關(guān)，動物實驗表明缺少Frem2蛋白會破壞復合物形成，影響表皮粘連以及表皮基底膜和下部真皮結(jié)締組織間的連接，導致眼球在胚胎發(fā)育時期形成水泡或血泡［15，20］．

圖1 Fras1蛋白與Frem2蛋白結(jié)構(gòu)

谷氨酸受體相互作用蛋白1(Grip1)是一種胞質(zhì)支架蛋白，由7個PDZ結(jié)構(gòu)域組成，PDZ結(jié)構(gòu)域與Fras1和Frem2蛋白胞漿區(qū)的羧基端作用，從而影響Fras1/Frem蛋白在基底膜的正確定位．Grip1分布在胚胎表皮、眼瞼、口腔及鼻腔上皮等組織中，參與跨膜蛋白的轉(zhuǎn)運功能．GRIP1基因丟失可導致細胞與ECM蛋白連接異常［22］．

ECM蛋白與細胞間的正常粘連對組織的結(jié)構(gòu)完整和器官發(fā)育過程中上皮間質(zhì)間的相互聯(lián)系有重要作用［22］．三種蛋白均在多種胚胎組織的表皮中高表達，在組織分化過程中既發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能又與組織發(fā)育密切相連［8］．Fras1，F(xiàn)rem2和 Grip1蛋白對 Fras1/ Frem蛋白復合物的完整性至關(guān)重要，缺失任何一種基因都會導致復合物出現(xiàn)缺陷并引起功能異常．隱眼畸形的出現(xiàn)時間一般在胎兒宮內(nèi)第4周的眼瞼形成過程中［23］，胚胎發(fā)育過程中上皮-間質(zhì)間的連接與基因FRAS1，F(xiàn)REM2，GRIP1的生物功能緊密相關(guān)．雖然這些蛋白在胚胎發(fā)育期的功能是短暫的，會在后期被膠原Ⅶ取代，但均可通過破壞眼瞼上皮細胞和下層間充質(zhì)間的連接而引起患兒眼部異常．因此可以推測隱眼的發(fā)生與表皮附著密切相關(guān)［20］．

3 致病基因突變的研究現(xiàn)狀及與隱眼發(fā)生的關(guān)系

關(guān)于隱眼患者的基因突變情況在國內(nèi)尚無報道，在國外從2006年Slavotinek首次描述了FS患者FRAS1基因的單基因突變［24］，到2008年針對33個FS家族的進一步遺傳研究發(fā)現(xiàn)FRAS1基因11個新突變位點和FREM2基因1個突變位點［25］．截止2013年，從FS患者的血液或組織樣本中提取DNA進行基因突變檢測，共發(fā)現(xiàn)FRAS1基因的26種突變．其中大部分突變是移碼突變或無義突變、錯義突變［12，24，26］，但這些檢測出的致病基因突變并未證實100%與隱眼癥狀發(fā)生相關(guān)．

現(xiàn)總結(jié)2017年以前國外文獻［12，17，25，27－30］中報道的FS患者致病基因突變情況(基因提取自患者血液或組織樣本，測序方法主要包括致病基因直接測序、微陣列比較基因組雜交等，表1)．

表1 2017年前國外文獻報導FS患者致病基因突變情況概覽

2008年van Haelst等［25］曾對48位FS患者進行遺傳分析，其中來自18個血緣家族的患者遺傳連鎖分析表明60%的病例與基因FRAS1、FREM2存在關(guān)聯(lián)．后來有研究發(fā)現(xiàn)人GRIP1基因發(fā)生突變同樣可引起經(jīng)典FS表型，且與FRAS1和FREM2致病機制類似，GRIP1基因突變能夠引起膠原Ⅴ和膠原Ⅵ等濃度異常而導致表皮層分離［30］．尚未發(fā)現(xiàn)不同突變位點導致的蛋白異常結(jié)構(gòu)與FS患者的不同表型有明確關(guān)聯(lián)［11］．FS患者中家族性隱眼畸形多見，尚未發(fā)現(xiàn)致病基因與種族、地區(qū)有明確關(guān)聯(lián)，雖然超過50%的患者存在上述致病基因的突變，但仍有一部分患者的遺傳缺陷尚不清楚［12］．其中FS臨床表現(xiàn)的多樣性可能與該綜合征的遺傳異質(zhì)性相關(guān)，一些合并畸形(如新月形的子宮、肛門閉鎖或肛門狹窄等)也可以在沒有隱眼表現(xiàn)的其他綜合征中出現(xiàn)，暗示修飾基因或三等位基因遺傳有可能解釋FS中的一些表型變異．

4 遺傳致病基因的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景

先天性隱眼等罕見病的受關(guān)注度是社會醫(yī)療水平進步的重要標尺，而罕見病蘊含的科學價值更是很多常見疾病不可比擬的［31］．隨著基因測序技術(shù)的飛躍發(fā)展和廣泛普及，以往使醫(yī)療工作者陷入困境的各種罕見病正在逐漸被發(fā)掘成為一個個的科學寶藏．相比FS綜合征，單純表現(xiàn)為先天性隱眼畸形的病例更為稀少，國內(nèi)現(xiàn)共有8例報道，國外有40余例，但該罕見病發(fā)病的分子機制尚不明確［7，32］．單純性隱眼表型單一，不受其他表型發(fā)病機制的干擾，更容易明確致病基因和追蹤發(fā)病過程，可能對闡明隱眼遺傳機制和推動臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用有更為重要的意義．且單純性隱眼患兒無其他器官系統(tǒng)明顯異常，胎兒存活比例更高，明確其發(fā)病的分子機制對于隱眼的精準治療及提高這部分患兒的生活質(zhì)量具有重大意義．新測序技術(shù)和遺傳學分析工具的出現(xiàn)將進一步幫助我們揭開隱眼發(fā)病機制中的謎團，這也是我們正在努力的研究方向．繼續(xù)深入了解先天性隱眼的遺傳機制，不僅有助于明確先天性隱眼的病因和發(fā)病機制，而且可轉(zhuǎn)化應(yīng)用于孕前咨詢(指導隱眼患兒家庭)、孕前篩查、產(chǎn)前診斷以及基因治療，以避免再次出生無法彌補的先天性缺陷的患兒，對最終推動精準醫(yī)學的快速發(fā)展具有重要的科學價值和社會意義．

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R770．4

A

2095-6894(2017)08-01-05

2017－02－14;接受日期:2017－03－03

國家自然科學基金面上項目(81770967);國家自然科學基金重大研究計劃培育項目(91546101);廣東省自然科學杰出青年基金項目(2014A030306030);廣東省高等學校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃 (YQ2015006);廣東省高層次人才特殊支持計劃(2014TQ01R573)

張夏茵．碩士生．E-mail:643135449@qq．com

林浩添．博士，研究員，副教授，副主任醫(yī)師．研究方向:眼科學．E-mail:haot．lin@hotmail．com