先天性白內(nèi)障相關(guān)晶狀體蛋白基因突變的研究進(jìn)展

海 玥，蘭長駿，廖 萱

0引言

先天性白內(nèi)障(congenital cataract)是兒童常見的致盲性眼病，其特征是出生時或出生后不久出現(xiàn)晶狀體混濁，發(fā)病率為0.6/10000 至6/10000[1]，8%～25%的先天性白內(nèi)障是由遺傳因素引起的，具有顯著的臨床異質(zhì)性和基因異質(zhì)性[2]；因?yàn)榉肿訖C(jī)制的復(fù)雜性，所以編碼晶狀體蛋白的基因突變可能導(dǎo)致不同的表型，根據(jù)形態(tài)學(xué)可分為核型、片層型、皮質(zhì)型、極型、壁型、脈狀、珊瑚狀等多種亞型[3]。先天性白內(nèi)障可孤立發(fā)生，或伴發(fā)其他眼部綜合征和發(fā)育缺陷，或表現(xiàn)為多系統(tǒng)遺傳性綜合征。遺傳性先天性白內(nèi)障大多數(shù)為單基因突變[1]，有常染色體顯性遺傳、常染色體隱性遺傳和性染色體連鎖遺傳三種遺傳方式。其中常染色體顯性遺傳是最常見的形式，并且具有高度的外顯率。迄今為止，遺傳性先天性白內(nèi)障突變篩查已鑒定出近200個基因位點(diǎn)和100多個致病基因[4]。

晶狀體的發(fā)育依賴于基因與其產(chǎn)物在時間和空間上結(jié)合的協(xié)調(diào)作用。由于遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致晶狀體蛋白結(jié)構(gòu)功能異常，使晶狀體透明度改變，即導(dǎo)致白內(nèi)障的發(fā)生。大量研究證實(shí)，與先天性白內(nèi)障相關(guān)的致病基因包括α、β、γ晶狀體蛋白基因、膜蛋白基因、調(diào)節(jié)眼球發(fā)育的基因、細(xì)胞骨架蛋白基因等，其中，約一半的突變發(fā)生在晶狀體蛋白基因中[5]。晶狀體蛋白作為晶狀體特有的蛋白質(zhì)之一，占晶狀體水溶性蛋白的比例高達(dá)90%，其特殊的空間排列順序?qū)τ诰S持晶狀體的透明性至關(guān)重要。晶狀體蛋白基因的突變可能影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、溶解性和寡聚性，干擾晶狀體的有序排列，導(dǎo)致晶狀體混濁?，F(xiàn)就先天性白內(nèi)障相關(guān)的晶狀體蛋白編碼基因的突變綜述如下。

1晶狀體蛋白的結(jié)構(gòu)功能

晶狀體蛋白主要功能是作為晶狀體纖維細(xì)胞的結(jié)構(gòu)蛋白，通過亞基間的相互作用使其形成十分持久穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。由于其在晶狀體內(nèi)具有均勻濃度梯度，而使晶狀體具有透明和折光的特性，因此晶狀體蛋白的穩(wěn)定性和緊密有序性對于晶狀體透明度至關(guān)重要。晶狀體蛋白存在于人的整個生存期中，雖在不同情況下表現(xiàn)的蛋白質(zhì)組不同，但在合成后極少更新，幾乎伴隨終身。隨年齡增長晶狀體蛋白合成及降解必需的細(xì)胞器逐漸減少，其過程也受到環(huán)境因素，如吸煙、紫外線照射、抗氧化食物攝取量少、某些藥物等的影響。晶狀體蛋白可分為α家族和βγ家族，α、β、γ三種晶狀體蛋白在晶狀體發(fā)育過程中的分布是不均衡和分階段的[6]。

α-晶狀體蛋白屬于小分子熱休克蛋白家族成員，具有分子伴侶活性，在體外可識別及結(jié)合非折疊蛋白成分，在體內(nèi)可以捕捉有凝集傾向的蛋白，使其保持再次折疊的構(gòu)象，從而抑制蛋白凝集。無論在體外還是體內(nèi)，α-晶狀體蛋白均可以阻止細(xì)胞凋亡。在體外，α-晶狀體蛋白還可以通過磷酸化發(fā)揮自身激酶的作用，保護(hù)多種酶免受失活。α-晶狀體蛋白與一定數(shù)量β-晶狀體蛋白、γ-晶狀體蛋白結(jié)合，可以阻止光凝損傷和熱損傷，并能夠通過干擾和調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

β-晶狀體和γ-晶狀體同屬于βγ-晶狀體家族，結(jié)構(gòu)具有很高相似性，可以折疊成兩個相似的結(jié)構(gòu)域。每個結(jié)構(gòu)域由兩個稱為Greek的關(guān)鍵基序組成，是蛋白質(zhì)中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有潛在的Ca2+結(jié)合特性[7]。β-晶狀體蛋白可形成不同尺寸的聚集體，能夠自結(jié)合形成二聚體或與其他β-晶狀體形成異二聚體。

γ-晶狀體蛋白作為晶狀體蛋白家族中最小和最簡單的成員，也是壽命最長的蛋白質(zhì)之一。過去曾被廣泛研究的βS-晶狀體蛋白，鑒于與其他γ-晶狀體蛋白更具相似性，現(xiàn)在被重新歸類到γS-晶狀體蛋白。γS-晶狀體蛋白是后天合成的，在晶狀體的發(fā)育過程中它們的相對比例隨著α和β-晶狀體蛋白的增加而降低[8]。γS-晶狀體蛋白的基因突變與先天性白內(nèi)障和發(fā)育性白內(nèi)障均有關(guān)。γ-晶狀體蛋白不僅是晶狀體的結(jié)構(gòu)蛋白，還參與晶狀體細(xì)胞的發(fā)育、分化及維持透明度。

2晶狀體蛋白的基因突變

2.1α-晶狀體蛋白的基因突變α-晶狀體蛋白是由αA與αB亞基組成的四聚體，在四聚體中αA和αB亞基的比例為3∶1，分別由21q22.3染色體上的CRYAA和11q22.3染色體上的CRYAB編碼。αA主要在晶狀體中表達(dá)，在其他組織中以很低的水平存在；但αB卻存在于許多組織類型中，比如心肌，CRYAB突變引起的白內(nèi)障往往伴發(fā)肌原纖維肌病和心肌病[9]；并且αA在晶狀體發(fā)育過程中持續(xù)表達(dá)，而αB是應(yīng)力誘導(dǎo)的。αA和αB都存在于晶狀體上皮細(xì)胞中，在分化的纖維細(xì)胞中的水平顯著升高。

迄今為止，CRYAA中的25個突變和CRYAB中的18個突變被發(fā)現(xiàn)與先天性白內(nèi)障相關(guān)[10]。既往研究中相繼報道了CRYAA基因突變時其編碼蛋白分子伴侶樣活性下降，而分子伴侶的功能即阻止其他晶狀體蛋白的聚集，以保持晶狀體的長期透明。一部分觀點(diǎn)認(rèn)為分子伴侶功能的喪失可能并不足以引起白內(nèi)障，而突變蛋白本身的高度寡聚體化才是病因，而另一部分則認(rèn)為即使分子伴侶功能正常，也不能阻止突變蛋白的聚集。α-晶狀體蛋白含有一個保守的結(jié)構(gòu)域，兩側(cè)由疏水的NH2端結(jié)構(gòu)域或親水的非結(jié)構(gòu)化COOH端結(jié)構(gòu)域組成。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析表明，αA-晶狀體蛋白的R116C(精氨酸→半胱氨酸)、R116H(精氨酸→組氨酸)、G98R(甘氨酸→精氨酸)，以及αB-晶狀體蛋白上的R120G(精氨酸→甘氨酸)、D109H(天冬氨酸→組氨酸)、D140N(天冬氨酸→天冬酰胺)突變都發(fā)生在α-晶狀體蛋白結(jié)構(gòu)域的弓環(huán)和發(fā)夾環(huán)上，導(dǎo)致β折疊和二聚體畸形，從而影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能[11]。此外，CRYAAp.R116H(精氨酸→組氨酸)和CRYABp.R120G(精氨酸→甘氨酸)突變蛋白在熱環(huán)境中不太穩(wěn)定，容易聚集。Vanita等[12]報道了CRYAA的p.R49C(精氨酸→半胱氨酸)突變，其位點(diǎn)位于α-晶狀體蛋白結(jié)構(gòu)域以外；CRYAA上的無義突變W9X，終止密碼子的過早形成導(dǎo)致了編碼蛋白的異常。最近，Liu等[13]報道了CRYAA基因的c.34C>T雜合子變異，變異導(dǎo)致密碼子12(p.R12)的胱氨酸取代高度保守的精氨酸，突變的CRYAA蛋白的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，局部疏水性增加。

目前已知CRYAB的突變與孤立性后極白內(nèi)障、心肌病或肌原纖維肌病等非綜合征臨床表型有關(guān)。其中，外顯子1上所報道的均為錯義突變，并與孤立性白內(nèi)障相關(guān)，外顯子2上暫無已報道的突變，而外顯子3上的突變可能表現(xiàn)為上述任何表型。Ghahramani等[14]發(fā)現(xiàn)αB-晶狀體蛋白的P20R(脯氨酸→精氨酸)和A171T(丙氨酸→蘇氨酸)突變會引起晶狀體蛋白結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生不同程度的改變，其中A171T突變蛋白顯示了明顯的三級結(jié)構(gòu)改變，P20R表現(xiàn)出明顯的二級結(jié)構(gòu)改變，兩者均有淀粉樣纖維形成增強(qiáng)的趨勢。αB-晶狀體蛋白的P20R和A171T突變蛋白相比，具有較弱的伴侶樣活性和增加的寡聚體大小及分布。此外，在一些研究中，A171T突變蛋白的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)保持相對不變。此外，表達(dá)A171T突變蛋白的細(xì)胞相比與正常細(xì)胞更容易凋亡，這一現(xiàn)象可能與白內(nèi)障的發(fā)病有關(guān)。既往報道較多的缺失突變?yōu)镃RYAB編碼區(qū)外顯子3上的一個缺失突變450deAl，該突變造成了150個密碼子的移碼突變，產(chǎn)生異常蛋白。這些突變的致病性還需通過動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃透蟮臉颖玖縼眚?yàn)證。

2.2β-晶狀體蛋白的基因突變β-晶狀體蛋白由7個亞基組成，分為酸性蛋白與堿性蛋白。其中酸性蛋白包括βA1/A3、βA2、βA4，堿性蛋白包括βB1、βB2、βB3，分別由CRYBA1、CRYBA2、CRYBA4、CRYBB1、CRYBB2和CRYBB3基因編碼。實(shí)際上，βA1和βA3是由相同的基因編碼，但轉(zhuǎn)錄本不同。β-晶狀體蛋白只存在于晶狀體纖維細(xì)胞中，不存在于晶狀體上皮中。

β-晶狀體蛋白家族中最常見的突變有CRYBA3/A1基因剪接位點(diǎn)突變c.2151G>A和CRYBB2基因的無義突變p.Q155X，前者影響mRNA的剪接過程，導(dǎo)致Greek關(guān)鍵基序的缺失，而后者與基因轉(zhuǎn)化和拷貝數(shù)變異有關(guān)。被報道的β-晶狀體蛋白錯義突變還有定位于22號染色體上的CRYBB2外顯子6上W151C(色氨酸→半胱氨酸)突變[15]、q11.2-q12.1上CRYBBl外顯子6上的X253R雜合子突變[16]和G220X突變，以及CRYBB3外顯子6上G165R(甘氨酸→精氨酸)突變，其中G220X突變可能與粉塵狀白內(nèi)障相關(guān)。而CRYBB2基因中發(fā)現(xiàn)的第一個突變C475T起初被認(rèn)為與藍(lán)白色環(huán)形晶狀體混濁相關(guān)，但同樣的突變相繼被發(fā)現(xiàn)在盤狀白內(nèi)障家系和縫狀白內(nèi)障家系中，目前認(rèn)為其啟動子區(qū)的變化引起CRYBB2在晶狀體或其他晶狀體基因中作為周圍修飾劑的表達(dá)異常，從而導(dǎo)致表型的多樣性。

Li等[17]報道CRYBA4的突變G64W(甘氨酸→色氨酸)，并發(fā)現(xiàn)該突變會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的錯誤折疊，進(jìn)而降低蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，且使CRYBA4與CRYBB1的相互作用受阻，進(jìn)一步破壞了CRYBA4蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。Chen等[18]在對2個常染色體顯性遺傳性的先天性核性白內(nèi)障家系的研究中發(fā)現(xiàn)了CRYBB1(c.347T>C)和CRYBB2(c.355G>A)突變，這兩種突變在以前的報道中尚未發(fā)現(xiàn)。Jin等[19]在先天性白內(nèi)障伴有小眼球癥家系發(fā)現(xiàn)了一個CRYBB1新的錯義突變p.S93R(絲氨酸→精氨酸)，該突變所在家系的遺傳方式為常染色體顯性遺傳。目前仍不能排除S93的翻譯后修飾(例如磷酸化)為βγ-晶狀體正常結(jié)構(gòu)完整所必需。位于CRYBAl/A3外顯子4上3個堿基缺失形成的G91del突變，被報道可能與先天性板層白內(nèi)障相關(guān)。β-晶狀體中的大多數(shù)錯義突變可能通過破壞Greek關(guān)鍵基序，降低蛋白質(zhì)的溶解度，改變動態(tài)寡聚平衡，增加蛋白水解的易感性或改變蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用而誘發(fā)先天性白內(nèi)障[20]。

2.3γ-晶狀體蛋白的基因突變γ-晶狀體蛋白由人晶狀體中的γA、γB、γC、γD、γE、γF和γS組成。在小鼠中，γA到γF基因位于1號染色體，γS基因位于16號染色體。在人類，γ-晶狀體蛋白基因也是一個簇，γA～F呈串聯(lián)重復(fù)基因簇排列，序列相似性百分比高。不同的是，人類CRYGE和CRYGF是假基因，只有CRYGC和CRYGD具有很高的活性，CRYGA和CRYGB的存在水平很低[21]。引起先天性白內(nèi)障的基因突變主要見于CRYGC、CRYGD和CYRGS基因，前兩者變異主要導(dǎo)致核型白內(nèi)障和珊瑚狀表型白內(nèi)障[22]。到目前為止，已經(jīng)報道了大約25個CRYGC突變、25個CRYGD突變和8個CYRGS突變[23-24]。

CRYGC基因突變p.G129C(甘氨酸→半胱氨酸)促進(jìn)易聚集中間體的積累，并能形成細(xì)胞毒性淀粉樣聚集體[25]。CRYGC基因中的5堿基插入引起的白內(nèi)障(C.119_123dup，C238ins GCGGC，p.C42Afs*63)，該突變導(dǎo)致了晶狀體微結(jié)構(gòu)的混亂。CRYGD的突變p.R14C(精氨酸→半胱氨酸)，p.R36S(精氨酸→絲氨酸)和p.R58H(精氨酸→組氨酸)沒有改變蛋白質(zhì)的折疊，而是改變了晶狀體蛋白的表面性質(zhì)[26]，例如突變體R58H表面疏水性的變化導(dǎo)致單個的突變體聚合成不溶性聚集體，進(jìn)而表現(xiàn)為針狀白內(nèi)障。CRYGD的突變p.L45P，p.R140X，p.W156X和CRYGC的突變p.W157X都影響了Greek關(guān)鍵基序，使蛋白質(zhì)溶解度降低，提高了晶狀體成核速率[27]。

與白內(nèi)障相關(guān)的其他γ-晶狀體蛋白突變，其表面疏水性隨溶解度的降低而增加[28]，導(dǎo)致晶狀體蛋白在近似生理的溫和條件下的自聚集，以及對化學(xué)和熱變性的敏感性增加。Bari等[5]的構(gòu)象分析揭示了p.G57W(甘氨酸→色氨酸)突變降低了γS-晶狀體蛋白的熱穩(wěn)定性。Ji等[29]報道中指出p.W43R(色氨酸→精氨酸)突變降低了γD-晶狀體蛋白的穩(wěn)定性，增加了其對紫外線照射的敏感性。CRYGD上的c.124G>A [p.V42M(纈氨酸→甲硫氨酸)]突變導(dǎo)致了先天性核性白內(nèi)障，這種突變被證明是扭曲了分子的緊密堆積，打開了蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，將通常埋藏在蛋白質(zhì)內(nèi)部中的疏水殘基暴露于表面。另有研究表明，一些對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性影響不大的突變可能會增加γ晶狀體對氧化應(yīng)激的反應(yīng)[30]，并認(rèn)為這種敏感性的變化可能是白內(nèi)障發(fā)生的重要觸發(fā)因素之一?？偟膩碚f，突變體比野生型γ-晶狀體蛋白更容易沉淀和產(chǎn)生散射光。

3小結(jié)

總之，隨著近年來測序技術(shù)和分子生物學(xué)研究的進(jìn)步，先天性白內(nèi)障的遺傳特征和結(jié)構(gòu)變異逐漸被揭示。這些研究不僅有助于突變基因的定位，也為致病機(jī)制的揭示提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但是表觀遺傳學(xué)研究也提示，僅從DNA序列上尋找疾病病因是片面的，DNA甲基化、基因組印記、RNA編輯等更復(fù)雜的機(jī)制也可引起細(xì)胞表型或基因表達(dá)的變化。隨著未來技術(shù)的不斷提高和完善，先天性白內(nèi)障的發(fā)病機(jī)制將得到更好的了解和詮釋，以期為更有效的預(yù)防、診斷和治療提供依據(jù)和策略。