SCCD的發(fā)病機(jī)理及其致病基因UBIAD1的功能研究進(jìn)展

蘇振宏，黃玉迪，張軍林，陶俊峰，袁 超，解舉民

0引言

施奈德結(jié)晶狀角膜營養(yǎng)不良(Schnyder crystalline corneal dystrophy，SCCD，MIM 121800)是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，患者雙眼角膜隨年齡增長逐漸混濁化，導(dǎo)致視力衰退，最終喪失視力，SCCD在男女中患病幾率均等，發(fā)病原因為眼角膜中膽固醇和磷脂的異常積累[1]。SCCD的分子基礎(chǔ)為1號染色體短臂3區(qū)6帶的UBIAD1基因突變[2-3]，該基因編碼一個含有338個氨基酸的蛋白質(zhì)，分子量為36.8kDa，含有一個異戊烯轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域(aa：58-333)。UBIAD1基因又被稱為移行上皮反應(yīng)基因(transitional epithelial response gene，TERE1)[4-5]?，F(xiàn)已證實，UBIAD1突變可以導(dǎo)致SCCD的發(fā)生[2-3]，但是致病的分子機(jī)制尚不清楚。日本學(xué)者證明UBIAD1是一種存在于人體內(nèi)的4-甲基萘醌合成酶[6]，參與細(xì)胞中脂質(zhì)代謝。Fredericks等[7]將UBIAD1(TERE1)導(dǎo)入HEK293細(xì)胞和膀胱癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中膽固醇的積累量增長了30%，而且在人膀胱移行細(xì)胞癌J82細(xì)胞中，UBIAD1的表達(dá)量下調(diào)了1/3，證實UBIAD1與細(xì)胞內(nèi)的膽固醇代謝密切相關(guān)。SCCD的臨床表現(xiàn)為角膜中膽固醇與磷脂的異常積累[1]。UBIAD1基因突變后導(dǎo)致了SCCD的發(fā)生，且SCCD是一種連續(xù)性發(fā)展的疾病，隨著年齡的增長，脂質(zhì)在角膜處積累逐漸增多，導(dǎo)致角膜混濁化，視力衰退。本文旨在系統(tǒng)、全面地綜述SCCD致病基因UBIAD1的突變與疾病發(fā)生的關(guān)系，并通過UBIAD1基因的功能分析其突變后導(dǎo)致SCCD發(fā)生的分子機(jī)制。

表1 UBIAD1基因突變導(dǎo)致SCCD的位點

序號突變位點突變類型參考文獻(xiàn)175Ser-Phe[2]297Ala-Thr[21]、[26]398#Gly-Ser[13]4102?#Asn-Ser[2]、[3]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]5103Thr-Ile[26]、[27]6112Asp-Gly[2]7112Asp-Asn[21]、[25]、[28]8118Asp-Gly[19]9119Arg-Gly[2]、[18]10120Thr-Arg[28]11121Leu-Phe[18]、[19]、[23]、[26]12121Leu-Val[21]13122Val-Glu[21]14122Val-Gly[21]15171#Ser-Pro[19]、[20]、[21]16174Tyr-Cys[19]、[21]17175Thr-Ile[2]、[3]、[19]、[21]18176Gly-Glu[26]19177Gly-Arg[3]、[21]20177Gly-Glu[25]、[29]21181Lys-Arg[19]22186Gly-Arg[19]23188Leu-His[21]24190Ile-Thr[30]25232Asn-Ser[2]、[21]26233Asn-His[19]、[21]27236Asp-Glu[3]、[19]、[21]28240Asp-Asn[22]

注：#：中國人群中發(fā)現(xiàn)的UBIAD1突變; *：UBIAD1突變熱點。

1 SCCD的臨床表現(xiàn)

SCCD是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，其發(fā)病特點為連續(xù)性雙眼角膜混濁化，原因為膽固醇、磷脂等在角膜中異常積累。大部分SCCD患者血脂、脂蛋白和膽固醇含量異常，但是角膜逐漸混濁化和結(jié)晶化與血脂并沒有直接關(guān)系[8]。臨床檢測發(fā)現(xiàn)約54% SCCD患者角膜中會出現(xiàn)結(jié)晶狀沉淀，其余46% SCCD患者并沒有檢測到角膜結(jié)晶狀沉淀，所以國際命名委員會應(yīng)Weiss等眼科學(xué)家的要求將SCCD重新命名為SCD(Schnyder corneal dystrophy,SCD)[9-11](為避免混淆，本文統(tǒng)一描述為SCCD)。

SCCD的臨床表現(xiàn)根據(jù)發(fā)病年齡可以劃分為3個階段[8]：(1)26歲及以下，表現(xiàn)為在角膜基質(zhì)上皮下中央位置出現(xiàn)結(jié)晶狀沉淀；(2)27～39歲，表現(xiàn)為結(jié)晶狀沉積不斷積累，并出現(xiàn)薄霧化；(3)40歲及以上，表現(xiàn)為隨著年齡的增長，結(jié)晶化程度不斷加重，導(dǎo)致整個角膜混濁化。根據(jù)角膜中結(jié)晶狀沉淀的積累推知該病隨年齡的增長呈連續(xù)性發(fā)展，導(dǎo)致視力逐漸缺失，最終失明。約4% SCCD患者會伴有膝外翻或叉型腿等表型[1，8，12-13]。SCCD患者主要通過穿透性角膜移植(penetrating keratoplasty，PKP)和光治療性角膜切削術(shù)(phototherapeutic keratectomy，PTK)兩種方法治療，恢復(fù)部分視力[8]。通過化學(xué)方法檢測SCCD患者手術(shù)移除的眼角膜中膽固醇的含量發(fā)現(xiàn)，膽固醇含量增加了10倍，磷脂含量增加了5倍，高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)中的載脂蛋白異常積累[14]。

2 SCCD發(fā)生的分子基礎(chǔ)

SCCD最早由法國眼科醫(yī)師Van Went和Wibaut于1924年報道，他們在1個家族中發(fā)現(xiàn)8例患者雙眼角膜均出現(xiàn)混濁化[15]。1927年、1929年、1939年瑞士眼科醫(yī)生Schnyder先后闡明本病的臨床表現(xiàn)與遺傳特性，故此病被稱為施奈德結(jié)晶狀角膜營養(yǎng)不良[16-17]。直至2007年，該疾病的分子基礎(chǔ)才被Orr等[2]、Weiss等[3]、Yellore等[18]研究揭示，證明位于1號染色體短臂3區(qū)6帶的UBIAD1基因突變可導(dǎo)致膽固醇、磷脂等脂質(zhì)在角膜處異常積累。隨后，世界各地的科學(xué)家及眼科學(xué)家，不斷發(fā)現(xiàn)和報道新的SCCD病例。通過序列分析得到多個UBIAD1點突變，證明該基因突變可以導(dǎo)致SCCD的發(fā)生，進(jìn)一步闡明了SCCD發(fā)病的分子基礎(chǔ)。

截止目前，通過文獻(xiàn)檢索共發(fā)現(xiàn)28個可以引起SCCD發(fā)生的UBIAD1點突變，其中UBIAD1第102位天冬氨酰突變是所有點突變中的熱點，現(xiàn)已在多個SCCD家系中發(fā)現(xiàn)該突變[2，3，18-25，26]。國內(nèi)學(xué)者報道的SCCD家系中也發(fā)現(xiàn)了102位氨基酸突變，同時還發(fā)現(xiàn)了98位和171位氨基酸突變[13，19-21]。我們總結(jié)了從2007年SCCD分子基礎(chǔ)被揭示以來至2019年發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)致SCCD發(fā)生的全部UBIAD1點突變[27-30]，見表1。SCCD在歐美國家的發(fā)病率高于其他國家和地區(qū)，分析可能與UBIAD1基因的易感性有關(guān)。Dong等[31]運(yùn)用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了SCCD小鼠模型，將小鼠UBIAD1基因的第100位氨基酸引入突變，由天冬氨酰突變?yōu)榻z氨酸，該位置對應(yīng)于人第102位熱點突變，為SCCD的治療與發(fā)病機(jī)理的研究提供了動物模型。盡管SCCD的分子基礎(chǔ)已經(jīng)被證實，但其具體發(fā)病機(jī)制尚不清楚。

3 SCCD致病基因UBIAD1的功能

UBIAD1基因于2001年被發(fā)現(xiàn)，在人體的多種組織中表達(dá)，但是在侵入性移行細(xì)胞癌中該基因表達(dá)量降低或不表達(dá)。將該基因轉(zhuǎn)入移行細(xì)胞癌TCC細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的增殖抑制率達(dá)80%～90%[4]，但是該基因的具體功能未知。McGarvey等[5]證明，25%的膀胱腫瘤中未檢測到UBIAD1表達(dá)，將UBIAD1基因轉(zhuǎn)入LNCaP和PC-3兩種膀胱癌細(xì)胞系中，細(xì)胞生長抑制率達(dá)80%，表明UBIAD1可以明顯抑制膀胱癌細(xì)胞增殖，推測該基因是潛在的抑癌基因。2010年，Nakagawa等[6]證明UBIAD1是人體中的MK-4生物合成酶，參與細(xì)胞中膽固醇代謝，UBIAD1基因的功能研究隨之成為熱點。有研究通過基因芯片分析發(fā)現(xiàn)，在1/3的膀胱癌樣本中，UBIAD1的表達(dá)量減少。在裸鼠膀胱癌模型中表達(dá)UBIAD1，可以抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。UBIAD1突變可影響其與APOE蛋白結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)膽固醇水平異常，從而提高癌細(xì)胞中的膽固醇含量。若移行細(xì)胞癌中缺失UBIAD1表達(dá)，MK-4介導(dǎo)的膽固醇平衡則被打破，癌細(xì)胞持續(xù)增殖[7]。

UBIAD1是一種異戊烯轉(zhuǎn)移酶，在維生素K2和輔酶10(CoQ10)的生物合成中起到重要作用。UBIAD1亞細(xì)胞定位在線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體上。研究證明，UBIAD1與線粒體中TBL2蛋白存在相互作用，異源表達(dá)UBIAD1可以提高線粒體跨膜電位，氧化壓力和NO產(chǎn)量，激活SXR靶標(biāo)。UBIAD1-TBL2復(fù)合物在氧化壓力、硝化壓力、脂代謝和SXR信號通路中具有重要作用[32]。另有研究報道，在腎透明細(xì)胞癌中表達(dá)UBIAD1，可以增加線粒體耗氧量、氫產(chǎn)量、氧化壓力和NO產(chǎn)量，降低膽固醇含量[33]。Hegarty等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在多器官的脊椎動物中UBIAD1對血管內(nèi)皮細(xì)胞的生存和發(fā)育至關(guān)重要，其原因可能是UBIAD1介導(dǎo)維生素K2的合成，而且該基因還具有調(diào)節(jié)心臟功能的作用，斑馬魚UBIAD1同源基因reddish/reh突變后，斑馬魚會出現(xiàn)心臟水腫、顱內(nèi)出血、血管退化等表現(xiàn)。Mugoni等[35]利用斑馬魚研究發(fā)現(xiàn)，UBIAD1直系同源基因barolo/bar突變的斑馬魚心血管系統(tǒng)發(fā)育失敗，原因為氧化壓力以及ROS介導(dǎo)的細(xì)胞損傷。UBIAD1是一個定位于高爾基體的異戊烯轉(zhuǎn)移酶而非定位于線粒體，在高爾基體上合成CoQ10，UBIAD1缺失可導(dǎo)致細(xì)胞基質(zhì)中抵御氧化壓力的CoQ10減少，血管壁細(xì)胞中ROS介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化。在心血管中抑制eNOS可以阻止UBIAD1依賴的氧化損傷，表明UBIAD1可通過調(diào)控CoQ10的合成調(diào)節(jié)eNOS的活性，在NO信號通路中起重要作用[36]。

敲除小鼠UBIAD1基因，小鼠胚胎成活7.5d后發(fā)育停止。UBIAD1-/-胚胎干細(xì)胞中不能合成維生素K2，但是可以合成CoQ9，與野生型胚胎干細(xì)胞相似。UBIAD1+/-小鼠可以正常發(fā)育和交配，其組織中維生素K2的合成量與含量約是正常小鼠組織的1/2，但是CoQ9的含量與野生型小鼠相比大致相等。UBIAD1-/-小鼠胚胎無法存活，但是給UBIAD1+/-孕母鼠補(bǔ)充MK-4或者CoQ10可以延長胚胎的生存時間。UBIAD1在維生素K2的合成中起作用，但與CoQ9的合成不相關(guān)[37]。為了解決這一難題，Nakagawa團(tuán)隊利用5a時間構(gòu)建了他莫昔芬誘導(dǎo)的UBIAD1基因敲除鼠，該小鼠在喂食他莫昔芬后，生存期延長至60d，小鼠發(fā)育成熟，他們用此模型來研究UBIAD1基因敲除后小鼠的變化，解剖發(fā)現(xiàn)小鼠的胰臟體積變小，胰臟腺泡細(xì)胞變成液泡細(xì)胞，鑒定后發(fā)現(xiàn)，該液泡細(xì)胞為脂肪細(xì)胞。UBIAD1基因缺失后，胰臟腺泡細(xì)胞氧化壓力和自噬增強(qiáng)，導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)凋亡。這一結(jié)果表明UBIAD1基因?qū)σ扰K腺泡細(xì)胞的生存至關(guān)重要，而且對細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)的代謝具有重要作用[38]。

Hirota等[39]借助生信分析方法及生化檢測手段將UBIAD1蛋白的4個保守結(jié)構(gòu)域逐一進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，保守域Ⅰ(101～133)參與了底物的結(jié)合；保守域Ⅱ(140～150)是氧化還原反應(yīng)結(jié)構(gòu)域，其中包含CxxC結(jié)構(gòu)域；保守域Ⅲ(169～184)鉸鏈區(qū)是重要的催化位點中心；保守域Ⅳ(240～253)是Mg2+和異戊二烯基結(jié)合位點。該研究為進(jìn)一步揭示細(xì)胞中UBIAD1蛋白的工作機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。UbiA超家族蛋白是一種跨膜的異戊烯轉(zhuǎn)移酶，控制輔酶Q、維生素K2、質(zhì)體醌、亞鐵血紅素、葉綠素、維生素E和結(jié)構(gòu)脂質(zhì)生物合成的關(guān)鍵步驟，上述脂溶性化合物常作為電子或質(zhì)子供體參與細(xì)胞呼吸、光合作用，也作為抗氧化劑保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷[40]。UBIAD1蛋白是UbiA超家族蛋白成員之一，其在慢性腎臟疾病和心血管疾病中也起到重要作用，推測其通過調(diào)節(jié)細(xì)胞中MK-4和CoQ10的生物合成調(diào)控細(xì)胞中膽固醇水平，進(jìn)而影響腎臟細(xì)胞和心血管細(xì)胞的鈣化、凋亡和增殖過程[41-42]。Huang等[43]發(fā)現(xiàn)在N2A 細(xì)胞中UBIAD1通過調(diào)控PI3K/AKT信號通路保護(hù)因為缺氧和低糖造成的亞細(xì)胞器損傷。

UBIAD1突變可引起脂質(zhì)在眼角膜中的異常積累，導(dǎo)致SCCD的發(fā)生[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)在哺乳動物細(xì)胞中固醇類物質(zhì)可以刺激UBIAD1與HMG CoA還原酶(3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A)結(jié)合，牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(GGpp)存在時，GGpp可與UBIAD1蛋白的催化中心結(jié)合，UBIAD1-HMG CoA還原酶復(fù)合物解離，之后UBIAD1被轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體，HMG CoA還原酶破膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中被蛋白酶體降解，具體分子機(jī)制見圖1[44-45]。當(dāng)UBIAD1出現(xiàn)點突變以后，其構(gòu)象發(fā)生改變，如最常見的N102S點突變，UBIAD1突變體不能與GGpp結(jié)合，導(dǎo)致UBIAD1-HMG CoA還原酶復(fù)合物不發(fā)生解離，一直存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜[44-45]。HMG CoA還原酶是膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成中的限速酶，HMG CoA還原酶的正常表達(dá)是細(xì)胞膽固醇和非甾醇類異戊二烯物質(zhì)合成的基礎(chǔ)。當(dāng)HMG CoA還原酶不能被及時降解時，可導(dǎo)致膽固醇和非甾醇類異戊二烯物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)積累[46-48]。因此我們推測，SCCD的致病分子機(jī)制為UBIAD1基因突變后，導(dǎo)致UBIAD1蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，不能與細(xì)胞中GGpp結(jié)合，無法受其調(diào)控從UBIAD1-HMG CoA還原酶復(fù)合體中解離，因此一直定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，同時HMG CoA還原酶無法從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上解離，導(dǎo)致其不能通過蛋白酶體降解，從而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜大量積累，其作為膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成步驟中的關(guān)鍵限速酶不能被及時降解，造成細(xì)胞中膽固醇和非甾醇類異戊二烯的大量合成并積累。膽固醇和非甾醇類異戊二烯的生物合成見圖2[44-48]。

圖1 甾醇促進(jìn)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)降解相關(guān)的HMG CoA還原酶途徑中UBIAD1的功能。

圖2 細(xì)胞中膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成通路。

4小結(jié)

SCCD是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，其臨床表現(xiàn)為角膜隨年齡增長逐漸混濁化，SCCD在男女中患病幾率均等，因為膽固醇和結(jié)構(gòu)脂類在角膜中的異常積累。該疾病于1924年首次報道[15]，瑞士眼科醫(yī)生Schnyder[16]闡明了本病的臨床表現(xiàn)與遺傳特性。直至2007年SCCD的分子基礎(chǔ)才被確證[2-3]。SCCD的病因?qū)W基礎(chǔ)為眼角膜中脂質(zhì)的異常積累，致病機(jī)理的闡明為該疾病的分子診斷、靶向藥物研發(fā)和特異性治療提供了理論支持。Schumacher等科學(xué)家探究了UBIAD1與HMG CoA 還原酶的作用機(jī)制，詳細(xì)描繪了UBIAD1-HMG CoA 還原酶在細(xì)胞中的角色與功能，為SCCD致病機(jī)理的闡明奠定了分子基礎(chǔ)[44-48]。

UBIAD1基因突變可引起SCCD，但其在膀胱、前列腺等器官中可以作為抑癌因子，同時保護(hù)心血管系統(tǒng)免受氧化壓力損傷。此外，UBIAD1也是人體中MK-4生物合成酶，在機(jī)體發(fā)育、脂質(zhì)代謝和氧化損傷等方面中起到至關(guān)重要的作用，其它功能及作用機(jī)制仍需進(jìn)一步闡明。