先天性白內(nèi)障致病基因機(jī)制研究進(jìn)展

沈嘉薇綜述， 薛春燕審校

0 引 言

先天性白內(nèi)障是兒童時(shí)期致盲的最主要原因之一，全球每10名失明兒童中就有1名是因先天性白內(nèi)障致盲，在2020年世界衛(wèi)生組織提出的全球范圍內(nèi)降低可防范的致盲疾病發(fā)病率計(jì)劃中，先天性白內(nèi)障依然是導(dǎo)致兒童視力缺陷的重要原因并且為重點(diǎn)攻克對(duì)象[1]。先天性白內(nèi)障存在多種遺傳方式，包括常染色體顯性或隱性遺傳，伴X性染色體顯性或隱性遺傳，而其中主要以常染色體顯性遺傳為主。目前，已發(fā)現(xiàn)的先天性白內(nèi)障致病基因主要包括晶狀體蛋白基因、細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白基因、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子基因、膜蛋白基因以及其他未知的基因及突變位點(diǎn)[2-3]。在本文中，我們將總結(jié)已知的先天性白內(nèi)障致病突變基因位點(diǎn)，為先天性白內(nèi)障的基因診斷和基因治療提供思路。

1 晶狀體蛋白編碼基因

晶狀體蛋白編碼基因是在目前已知導(dǎo)致先天性白內(nèi)障的缺陷基因中最常見的一類。在先天性白內(nèi)障患者中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)超過300多種不同的晶狀體蛋白基因突變類型[4]。晶狀體蛋白是一種在晶狀體中含量豐富的可溶解性蛋白，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為三類：晶狀體蛋白α、晶狀體蛋白β和晶狀體蛋白γ。

晶狀體蛋白α主要有兩種組成成分，晶狀體蛋白αA(human alpha A crystallin, CRYAA)及晶狀體蛋白αB(human alpha B crystallin, CRYAB)，兩者在晶狀體中分布的比例約為1∶3。這兩種蛋白均隸屬于熱休克蛋白家族，分別由兩種不同的基因編碼，即CRYAA基因和CRYAB基因[5]。CRYAA主要在晶狀體中表達(dá)，但同時(shí)也存在于角膜和視網(wǎng)膜中。與CRYAA不同，CRYAB除在晶狀體中表達(dá)豐富以外，還廣泛分布于心臟、肌肉、腦和腎臟等其他器官[6]。因此，CRYAB基因突變可引起除白內(nèi)障外全身多個(gè)重要組織器官功能發(fā)生改變。

隨著對(duì)先天性白內(nèi)障的關(guān)注度增加，更多白內(nèi)障致病基因突變類型在晶狀體蛋白β和晶狀體蛋白γ中發(fā)現(xiàn)[4]。與在晶狀體中廣泛分布的晶狀體蛋白α不同，晶狀體蛋白β和γ是位于晶狀體核心的主要結(jié)構(gòu)蛋白，不屬于熱休克蛋白家族。它們特定的折疊方式對(duì)于晶狀體核心區(qū)域透明度的維持有著關(guān)鍵作用。晶狀體蛋白β依據(jù)蛋白等電點(diǎn)的不同，又分為酸性蛋白(βA1、βA3、βA4)和堿性蛋白(βB1、βB2、βB3)兩類[7]。晶狀體蛋白γ是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小分子量蛋白，γD和γC亞型在晶狀體發(fā)育過程中主要在核心區(qū)域表達(dá)，而γS亞型主要出現(xiàn)在晶狀體皮質(zhì)中[7]。

在晶狀體中，晶狀體蛋白占所有可溶解蛋白的90%以上，其溶解度和對(duì)光線的折射率極大程度上影響著人的視力水平。晶狀體蛋白的構(gòu)型是決定其水溶性和光線折射率的主要因素，多種內(nèi)外部因素可影響晶狀體蛋白的構(gòu)型。作為光線折射的主要介質(zhì)之一，晶狀體經(jīng)常接受紫外線輻射和強(qiáng)光照射，晶狀體γ蛋白的基因改變使晶狀體蛋白對(duì)于紫外線輻射的耐受力降低，更易導(dǎo)致晶狀體蛋白的錯(cuò)誤折疊和積聚[8]。晶狀體蛋白在晶狀體中分為可溶和不可溶兩類，可溶性晶狀體蛋白在白內(nèi)障患者的晶狀體中的比例下降，而不溶性晶狀體蛋白比例會(huì)增加[9]。目前更多認(rèn)為，晶狀體蛋白主要是因?yàn)槠淙芙舛却笮〉淖兓绊懢铙w透明度。

2 Ⅳ型膠原蛋白基因α1(type Ⅳ collagen alpha1,COL4A1)

COL4A1編碼晶狀體中Ⅳ型膠原的α1鏈，而Ⅳ型膠原纖維分布于幾乎所有細(xì)胞外基質(zhì)的基底膜上。因此，COL4A1突變可引發(fā)包括白內(nèi)障在內(nèi)的全身多系統(tǒng)疾病，主要包括小血管病變引發(fā)的腦出血，腦白質(zhì)病變，腎小球病變及視網(wǎng)膜血管迂曲等。曾有報(bào)道指出在早期出現(xiàn)白內(nèi)障或患有先天性白內(nèi)障疾病的患者中發(fā)現(xiàn)存在COLA1基因的突變，但更多患者則同時(shí)伴有血管病變導(dǎo)致的多器官疾病[10]。亦發(fā)現(xiàn)存在COL4A1突變單發(fā)常染色體顯性遺傳的白內(nèi)障家族，家系中的患者除白內(nèi)障外，并無其他伴隨疾病[11]。相較于白內(nèi)障，COL4A1突變引發(fā)的全身小血管病變對(duì)于患者的生存率更為重要。

3 細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白編碼基因

串珠狀纖維結(jié)構(gòu)蛋白(beaded filament structural protein，BFSP)是晶狀體中特有的一種蛋白，屬于中間絲蛋白家族(intermediate filament family, IFF)。串珠狀纖維在維持晶狀體纖維細(xì)胞形態(tài)方面有重要意義，對(duì)晶狀體透明度的維持具有一定影響。串珠狀纖維結(jié)構(gòu)蛋白1(beaded filament structural protein-1，BFSP1)和串珠狀纖維結(jié)構(gòu)蛋白2(beaded filament structural protein-2，BFSP2)是珠狀結(jié)構(gòu)細(xì)絲蛋白的主要成分，主要分布于已分化的晶狀體纖維細(xì)胞。BFSP1及BFSP2基因的點(diǎn)突變均已在常染色體顯性遺傳的白內(nèi)障家族中被發(fā)現(xiàn)[12-13]。

3.1 BFSP1在BFSP2高度表達(dá)的小鼠晶狀體中，BFSP1的缺失表達(dá)還是會(huì)導(dǎo)致晶狀體纖維細(xì)胞中的BFSP的缺失[14]，這提示了BFSP1的不可替代性。在少數(shù)因BFSP1突變導(dǎo)致白內(nèi)障的家族中，患者出生時(shí)眼部通常具有透明健康的晶狀體，但隨著年齡的增加，晶狀體的混濁現(xiàn)象較其他同齡人常提前顯現(xiàn)，并在兒童以及青少年時(shí)期呈現(xiàn)明顯的白內(nèi)障臨床表征。但有部分患者50歲左右才會(huì)出現(xiàn)明顯的晶狀體混濁的臨床表征[12]。BFSP1突變?cè)黾恿嘶颊呔铙w混濁的易感性，使患者的晶狀體更易隨著年齡的增加提前產(chǎn)生混濁現(xiàn)象。BFSP1可以影響水通道蛋白0(aquaporin，AQP0)對(duì)鈣離子的敏感性，調(diào)節(jié)AQP0對(duì)水的滲透性[15]。人晶狀體中約65%是水，晶狀體的透明度與其內(nèi)部水溶性蛋白的含量和溶解度有關(guān)，因此，晶狀體含水量的多少亦可對(duì)晶狀體的透明度產(chǎn)生影響。

3.2 BFSP2與BFSP1類似，BFSP2突變的小鼠中也呈現(xiàn)出伴隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸加重的白內(nèi)障表型。BFSP2缺失的小鼠晶狀體纖維細(xì)胞并未呈現(xiàn)出細(xì)胞形態(tài)和排列方式的改變，并且小鼠的晶狀體也未立即出現(xiàn)明顯混濁，而是隨著時(shí)間的推移逐漸顯現(xiàn)[16-17]。然而，BFSP2的缺失，卻引起了BFSP1編碼蛋白的水平明顯下降，提示BFSP2可能通過調(diào)節(jié)BFSP1的表達(dá)水平進(jìn)而調(diào)控晶狀體透明度[16]。在BFSP2突變的家系中，Y字縫型白內(nèi)障表型可能為BFSP2突變型白內(nèi)障的早期特征表現(xiàn)[18]。

4 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子基因

4.1 垂體同源盒家族因子3(paired-like homeodomain transcription factor 3，PITX3)PITX3是垂體同源盒基因家族的成員之一。在小鼠胚胎發(fā)育過程中，PITX3 RNA在小鼠的晶狀體板和晶狀體泡中大量表達(dá)，并貫穿晶狀體發(fā)育全過程。除此以外，PITX3轉(zhuǎn)運(yùn)因子在人神經(jīng)系統(tǒng)也有表達(dá)，可調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子轉(zhuǎn)錄，PITX3-/-小鼠模型已作為帕金森的動(dòng)物模型投入研究中[19]。PITX3突變?cè)谌巳褐锌梢鸲喾N先天性白內(nèi)障表型，包括全白內(nèi)障、核性白內(nèi)障、后極性白內(nèi)障、前極性白內(nèi)障等。在家族中常染色體顯性遺傳方式已有報(bào)道[20]。至今，已有9種PITX3基因突變方式被發(fā)現(xiàn)在人群中與不同的白內(nèi)障類型有關(guān)。其中，PITX3突變導(dǎo)致的較為常見的白內(nèi)障臨床類型為后極性白內(nèi)障[21]，后極性白內(nèi)障主要在晶狀體后囊中央?yún)^(qū)域發(fā)生局限性混濁，由于混濁常位于視軸上，因而對(duì)于患者視力有顯著影響。PITX3作為晶狀體發(fā)育過程中一個(gè)重要基因，其下游的靶向基因目前認(rèn)為包括主要內(nèi)源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)、叉頭框E3(forkhead box E3，F(xiàn)OXE3)等。在小鼠中，PITX3基因短缺會(huì)導(dǎo)致這三種轉(zhuǎn)錄因子在晶狀體中表達(dá)受到影響[22]。PITX3基因短缺在小鼠中會(huì)導(dǎo)致晶狀體蛋白的表達(dá)下降，從而影響小鼠晶狀體的發(fā)育甚至導(dǎo)致小鼠晶狀體完全缺失而呈現(xiàn)小眼表型[22]。

4.2 FOXE3基因FOXE3基因在哺乳類動(dòng)物中高度保守，雖然大多數(shù)FOXE3突變患者為隱性攜帶者，但FOXE3基因在晶狀體中廣泛表達(dá)，與眼前部的發(fā)育不全和白內(nèi)障表型密切相關(guān)。FOXE3突變患者可出現(xiàn)晶狀體缺失、小眼、角鞏膜硬化等臨床表現(xiàn)[23]。在斑馬魚突變模型中，F(xiàn)OXE3基因功能喪失可影響多種晶狀體蛋白基因的表達(dá)水平，大部分晶狀體蛋白的表達(dá)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，加快了晶狀體纖維細(xì)胞的分化和凋亡速度，致使斑馬魚晶狀體發(fā)育不全，甚至缺失，因而與野生型斑馬魚相比，常呈現(xiàn)小眼表型[24]。

4.3 人配對(duì)盒基因6(paired box gene 6，PAX6)PAX6的功能最早在小眼畸形的患者中發(fā)現(xiàn)。PAX6與眼部多種組織發(fā)育及功能異常有關(guān)，在人眼部可引起先天性虹膜缺失、青光眼、視網(wǎng)膜黃斑發(fā)育不全、先天性白內(nèi)障等諸多疾病[25]。在先天性白內(nèi)障患者中，嬰幼兒時(shí)期較多表現(xiàn)為晶狀體前囊或后囊的局部混濁，在青年晚期則更多表現(xiàn)為進(jìn)行性明顯加重的白內(nèi)障。此外，晶狀體混濁常伴有其他眼部組織的功能不全。PAX6在晶狀體中主要調(diào)節(jié)晶狀體蛋白基因，控制晶狀體蛋白的合成分化。PAX6在晶狀體中呈現(xiàn)不同的亞型，具有不同的穩(wěn)定性，PAX6表達(dá)上調(diào)可導(dǎo)致晶狀體纖維細(xì)胞凋亡增加，使晶狀體趨于混濁，PAX6在正常晶狀體中會(huì)隨著年齡增加而表達(dá)下降，而在老年型白內(nèi)障的晶狀體中表達(dá)量則更加穩(wěn)定[26]。

5 膜蛋白基因

5.1 主要內(nèi)源性蛋白基因在我國(guó)，主要內(nèi)源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)突變導(dǎo)致的白內(nèi)障家系中，患者以核性白內(nèi)障的表型居多，并且，常染色體顯性遺傳為主要遺傳方式?；颊叱Ｔ趮胗變簳r(shí)期就表現(xiàn)出晶狀體的形狀、大小和核密度的異常[27]。MIP基因編碼的MIP蛋白又稱為水通道蛋白0，占晶狀體膜蛋白總量的60%以上，被認(rèn)為是晶狀體纖維細(xì)胞的特定標(biāo)志物[28]。與縫隙連接蛋白不同，MIP在晶狀體纖維細(xì)胞膜中形成的小分子通道主要影響水的通透性，幾乎所有其他離子和小分子物質(zhì)均不通過MIP進(jìn)入晶狀體纖維細(xì)胞。作為一種水通道蛋白，相對(duì)于其他亞型，MIP對(duì)水的通透性較低，不到水通道蛋白1(aquiporin1，AQP1)的10%[29]。鈣離子調(diào)節(jié)蛋白可根據(jù)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度，調(diào)節(jié)MIP四聚體中各部分的連接緊密度，改變通道大小，影響水在晶狀體纖維細(xì)胞內(nèi)外的流動(dòng)性[30]。在MIP完全缺失的小鼠晶狀體中，晶狀體上皮細(xì)胞的膜對(duì)水的透過性增大，離子和水在細(xì)胞膜之間的交換失衡，引起晶狀體水調(diào)節(jié)失控，導(dǎo)致晶狀體的混濁。此外，相較于野生型小鼠，MIP完全缺失的小鼠晶狀體纖維細(xì)胞中細(xì)胞核數(shù)量大幅增加，蛋白水解酶的水解程度明顯上調(diào)，晶狀體纖維細(xì)胞的降解增強(qiáng)，晶狀體呈現(xiàn)混濁表型[31]。

5.2 縫隙連接蛋白基因縫隙連接蛋白家族中僅有亞型43，46和50表達(dá)于人晶狀體中，其中縫隙連接蛋白46(connexin 46, CX46)表達(dá)于成熟晶狀體纖維細(xì)胞，而縫隙連接蛋白43(connexin 43，CX43)分布在晶狀體上皮細(xì)胞膜上，縫隙連接蛋白50(connexin 50, CX50)在晶狀體中的所有細(xì)胞均有分布。在由縫隙連接蛋白基因突變導(dǎo)致的白內(nèi)障家系中，粉塵狀白內(nèi)障和核性白內(nèi)障較為常見[32]。在老年性白內(nèi)障中，縫隙連接蛋白的表達(dá)也會(huì)下降，這提示縫隙連接蛋白表達(dá)狀態(tài)可以影響晶狀體混濁度[33]。

縫隙連接蛋白不僅決定著晶狀體纖維細(xì)胞之間的緊密連接狀態(tài)，更重要的是，在晶狀體各細(xì)胞之間起著信息交流通道的作用?？p隙連接蛋白家族可以單一蛋白亞型或兩種以上蛋白亞型混合組合的形式構(gòu)成細(xì)胞間的連接通道，但并非所有縫隙連接蛋白亞型均可兩兩組合，這受限于蛋白亞型的不同結(jié)構(gòu)，如CX46與CX43就不能共同形成細(xì)胞間通道[34]。各類離子、氣體以及大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括葡萄糖等均可以通過縫隙連接蛋白構(gòu)成的細(xì)胞通道，在晶狀體細(xì)胞之間傳遞信息，輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，排泄代謝產(chǎn)物。房水中的物質(zhì)從晶狀體前后極部進(jìn)入晶狀體，從晶狀體的赤道部離開晶狀體。不同縫隙蛋白亞型對(duì)不同物質(zhì)的通透性并不相同。相較于CX43，CX50對(duì)第二信使之一的IP30的透過性明顯降低，而對(duì)于鈣離子的透過性則較高[35]。在CX46缺失導(dǎo)致的核性白內(nèi)障中，組織切片提示晶狀體中央?yún)^(qū)域有大量鈣離子沉積，且越靠近晶狀體中央部分的晶狀體纖維細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)的鈣離子的負(fù)荷越重[36]。由此可推測(cè)，縫隙連接蛋白基因缺失導(dǎo)致的縫隙連接蛋白表達(dá)下降，可降低鈣離子在晶狀體內(nèi)循環(huán)次數(shù)，鈣離子在晶狀體內(nèi)部沉積，引發(fā)白內(nèi)障的發(fā)生。

與CX46和CX43不同，CX50作為晶狀體中表達(dá)最多的一類縫隙連接蛋白，CX50的缺失不僅會(huì)導(dǎo)致白內(nèi)障，更常見的情況是引發(fā)眼部發(fā)育畸形。但有趣的是，如果將CX46基因替換CX50基因，在小鼠身上只會(huì)引起眼部畸形的發(fā)生，而白內(nèi)障的表型并未出現(xiàn)[37]。這提示每種縫隙連接蛋白亞型在維持晶狀體透明度上的貢獻(xiàn)程度并不相同。CX50的表達(dá)降低與小眼的表型有著密切的關(guān)系，然而，CX50在小鼠晶狀體纖維細(xì)胞上的過表達(dá)依然會(huì)導(dǎo)致纖維細(xì)胞分化遲緩、晶狀體體積變小和白內(nèi)障[38]。

6 肌球蛋白伴侶B(Unc-45 myosin chaperone B，UNC45B)

UNC45B不僅在人體的心臟組織和骨骼肌中大量表達(dá)，在人與斑馬魚的晶狀體中也廣泛存在，并且在晶狀體中的含量也會(huì)伴隨胚胎發(fā)育發(fā)生變化[39]。在UNC45B突變的斑馬魚晶狀體中，大量細(xì)胞核和纖維在晶狀體的中央?yún)^(qū)域聚集，并且發(fā)生突變的斑馬魚較野生型相比呈現(xiàn)出小眼表型[39]。在斑馬魚眼部組織中，UNC45B不僅在晶狀體纖維細(xì)胞中表達(dá)，也在周圍其他組織中富集，例如視網(wǎng)膜的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層[39]。UNC45B常與HSP90協(xié)同作用，引起非肌性肌球蛋白(non-muscle myosin，NMM)的聚集[40]。研究提示NMM在小鼠胚胎晶狀體上皮細(xì)胞的分化和延伸過程中具有重要的介導(dǎo)作用[41]。因此，UNC45B對(duì)于晶狀體透明度的維持亦有重要作用。在臨床中，已發(fā)現(xiàn)UNC45B突變的常染色體顯性遺傳的青年白內(nèi)障家系，發(fā)病年齡平均約為17歲[39]。

7 結(jié) 語(yǔ)

先天性白內(nèi)障是世界范圍內(nèi)兒童致盲的重要疾病之一，截至目前，已有超過近100種的先天性白內(nèi)障致病基因被發(fā)現(xiàn)，然而，大部分的基因作用的具體分子通路和機(jī)制仍不清楚，先天性白內(nèi)障的明確致病機(jī)制和針對(duì)性基因治療仍亟待更多的研究。