遺傳相關的先天性白內(nèi)障基因突變的研究進展

季亞男，張娟美，趙友財，趙 軍，姜 濤，張 丹，田春柳，張琳琳

0引言

先天性白內(nèi)障是指出生時或出生后早期發(fā)生的晶狀體部分或完全混濁，是導致嬰幼兒弱視或失明的常見眼病。由于嬰幼兒眼球結(jié)構和發(fā)育與成人不同，且處于快速變化時期，因此手術時機、手術方式的選擇均異于成人。如果不能早期診斷、早期治療，將會導致形覺剝奪性弱視的發(fā)生，嚴重情況下可能失明，給患者及其家庭帶來沉重的負擔。因此明確先天性白內(nèi)障的發(fā)病原因?qū)τ谠缙诘脑\斷和干預治療至關重要。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)40多種基因與先天性白內(nèi)障有關，其中包括晶狀體蛋白基因(CRYAA、CRYAB、CRYBB1、CRYBB2、CRYBB3、CRYBA1/A3、CRYBA2、CRYBA4、CRYGC、CRYGD和CRYGS)、膜蛋白基因(GJA3、GJA8、MIP、LIM2)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子基因(HSF4、MAF、PITX3)和其他基因等。本文將分別從這些基因入手，對先天性白內(nèi)障的基因突變進行綜述。

1晶狀體蛋白基因

晶狀體蛋白是哺乳動物主要的晶狀體結(jié)構蛋白，占晶狀體水溶性蛋白的比例高達90%[1]。在晶狀體蛋白家族中，有α-晶狀體蛋白、β-晶狀體蛋白和γ-晶狀體蛋白三種成員，分別占總量的40%、35%、25%。三種晶狀體蛋白按照合適的比例聚集成穩(wěn)定的結(jié)構，在晶狀體的正常發(fā)育和透明性的維持等方面發(fā)揮重要的作用[2]。晶狀體蛋白基因的突變會影響晶狀體蛋白的穩(wěn)定性，致使蛋白質(zhì)的組成與結(jié)構發(fā)生改變，導致不穩(wěn)定蛋白質(zhì)的聚集和沉淀，最終導致晶狀體發(fā)生混濁形成白內(nèi)障[3]。

1.1 α-晶狀體蛋白α-晶狀體蛋白屬于小分子熱休克蛋白(small heat shock protein，sHSP)家族，具有分子伴侶樣作用，能夠防止蛋白質(zhì)在應激時的變性、聚集、沉淀和程序性死亡。此外，α-晶狀體蛋白能促進β、γ-晶狀體蛋白的正確折疊，對維持晶狀體的透明性具有一定的作用[4]。α-晶狀體蛋白可以進一步分為由CRYAA和CRYAB基因編碼的αA-和αB-晶狀體蛋白。αA-晶狀體蛋白主要在晶狀體中表達，在其他組織中僅發(fā)現(xiàn)微量，可以說αA-晶狀體蛋白是晶狀體的特異性蛋白。αB-晶狀體蛋白存在于晶狀體之外的多種組織，尤其是在大腦、心臟和肌肉中[5]。劉嫻等[6]報道CRYAB基因1號外顯子的一處錯義突變c.59C>T，致使翻譯的脯氨酸被精氨酸替代。此突變使氨基酸疏水性增大，降低了蛋白質(zhì)的溶解性，引起蛋白質(zhì)聚集，導致白內(nèi)障的發(fā)生。研究顯示基因編輯技術敲除家兔CRYAA基因，使3～52bp缺失突變，新生家兔可表現(xiàn)為先天性白內(nèi)障、小眼球畸形、晶狀體過早萎縮等特征[7]。這為進一步研究CRYAA基因與人類先天性白內(nèi)障的關系提供了線索。

1.2 β-晶狀體蛋白β和γ-晶狀體蛋白均含有4個高度保守的“Greek Key”基序，每一個基序又由4個β折疊構成。這些特殊的結(jié)構和獨立的空間排列對維持晶狀體的透光度至關重要[8]。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。Wu等[9]報道了致病基因CRYBA3/A1內(nèi)含子1-外顯子2連接區(qū)的一處剪接突變c.30-2A>G。該突變產(chǎn)生截短的mRNA，導致不穩(wěn)定性蛋白質(zhì)的聚集和沉淀。在一個多形性先天性白內(nèi)障家系中，CRYBB2基因的無義突變c.463C>T(p.Q155X)可導致翻譯提前終止，影響了編碼蛋白質(zhì)C-端的長度，造成晶狀體蛋白結(jié)構異常，從而導致晶狀體發(fā)生混濁[10]。CRYB基因的突變可因家系不同表現(xiàn)為核性、粉塵狀、全白、皮質(zhì)性、藍色點狀白內(nèi)障等[11]。

1.3 γ-晶狀體蛋白γ-晶狀體蛋白是晶狀體蛋白家族中最小和最簡單的成員。它是由173～174個氨基酸殘基組成的分子量約為21kDa的單體。人類晶狀體有三種主要的γ-晶狀體蛋白——γC、γD和γS。γC和γD是在胚胎發(fā)育過程中合成，其基因定位于人染色體2q33-q35，而γS是在出生后合成，其基因定位于人染色體3q27。γ-晶狀體蛋白不僅是晶狀體的結(jié)構蛋白，還參與晶狀體細胞的發(fā)育、分化及維持其透明度。Zhang等[12]在CRYGS基因第199個堿基位點上發(fā)現(xiàn)了一個T→A堿基替換c.199T>A。該突變所導致的γS-晶狀體蛋白三級結(jié)構發(fā)生改變是晶狀體透明度喪失的基礎。γ-晶狀體蛋白基因突變可引起核性、板層狀、粉塵狀、珊瑚狀等多種類型白內(nèi)障[13]。

2膜蛋白基因

晶狀體作為一種無血管的組織，完全依賴于晶狀體上皮來維持細胞外正常離子狀態(tài)和氧化還原狀態(tài)。晶狀體細胞表面的膜蛋白在維持細胞代謝和離子交換等方面起著重要作用，以確保細胞間信號分子的正常傳輸和維持晶狀體的透明性。

2.1縫隙連接通道蛋白縫隙連接是連接相鄰細胞的通道，它允許離子和小分子物質(zhì)在細胞之間進行交換，是無血管的晶狀體細胞間通訊及物質(zhì)循環(huán)的重要通道，對晶狀體的穩(wěn)態(tài)和透明性至關重要。目前發(fā)現(xiàn)連接蛋白(connexin，Cx)家族的三種同工型——Cx43、Cx46和Cx50，分別由基因GJA1、GJA3、GJA8編碼。Cx43在晶狀體分化后期被Cx46和Cx50取代。在中國人群先天性白內(nèi)障突變譜中，GJA3、GJA8突變頻率均在10%以上[14]。且這兩種基因突變主要導致常染色體顯性遺傳核性粉塵狀白內(nèi)障的發(fā)生。Cx的突變可以導致通道功能的失活或降低、蛋白的錯誤折疊和轉(zhuǎn)運障礙、細胞的發(fā)育及分化受影響等，進而引起晶狀體的混濁[15]。

2.2主要內(nèi)源性蛋白主要內(nèi)源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)基因定位于12q13.3，也稱為MIP26或AQP0。它是一種內(nèi)在膜蛋白，占晶狀體纖維細胞總膜蛋白的80%。MIP單體在細胞膜內(nèi)結(jié)合成四聚體，形成水通道，選擇性地將水分子運輸通過細胞膜。它主要通過減少晶狀體纖維細胞間的空隙維持晶狀體透明[16]。MIP基因的移碼突變c.682_683delAA，致使MIP的C-末端結(jié)構丟失，從而影響MIP的穩(wěn)定性和親水性，導致晶狀體發(fā)生混濁[17]。

2.3內(nèi)在膜蛋白19內(nèi)在膜蛋白19(membrane protein 19，MP19)是由定位于人染色體19q13.4上的LIM2基因編碼。MP19是脊椎動物眼睛晶狀體纖維細胞中第二豐富的整合膜蛋白，僅次于MIP。它對于維持晶狀體纖維細胞和上皮細胞間離子交換與代謝平衡、參與晶狀體折光系數(shù)的形成具有不可或缺的作用。Irum等[18]報道了LIM2基因第233位堿基的一處錯義突變c.233G>A(p.G78D)，突變破壞了MP19跨膜區(qū)的二級結(jié)構。有研究顯示，轉(zhuǎn)基因小鼠的LIM2基因突變也與先天性白內(nèi)障相關[19]。

3轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

大多數(shù)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的突變發(fā)生在DNA結(jié)合區(qū)，這可影響其與靶基因的結(jié)合，導致晶狀體發(fā)育過程中蛋白質(zhì)異常表達，進而使晶狀體發(fā)育不良，引起晶狀體混濁。

3.1熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄因子4基因熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄因子4(HSF4)基因定位于16q21，它能調(diào)控熱休克蛋白(HSP)的表達，包括HSP70、HSP90a、HSP27。HSP作為分子伴侶，在蛋白質(zhì)的合成、組裝、轉(zhuǎn)移、折疊、修復以及變性的過程中發(fā)揮重要作用[16]。Bu等[20]在先天性白內(nèi)障家系中首次發(fā)現(xiàn)HSF4基因的突變，突變位于DNA結(jié)合域，影響晶狀體正常發(fā)育。

3.2MAF基因MAF基因定位于16號染色體，編碼的MAF轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子由373個氨基酸組成。MAF基因在晶狀體纖維細胞發(fā)育和分化過程中調(diào)節(jié)眼晶狀體蛋白的表達。有文獻證明純合的MAF突變會使小鼠晶狀體纖維細胞分化產(chǎn)生缺陷[21]。

3.3垂體同源盒基因3垂體同源盒基因3(PITX3)定位于人染色體10q25，是RIEG/PITX同源盒家族的一個成員。其編碼的蛋白質(zhì)在眼睛發(fā)育過程中參與晶狀體的發(fā)育。PITX3第543位堿基鳥嘌呤的缺失543delG，導致一個包含127個多余氨基酸殘基異常蛋白的產(chǎn)生[22]。

4其他基因

4.1細胞骨架蛋白基因細胞骨架蛋白是由多種絲狀物質(zhì)組成的胞漿蛋白，對于維持細胞形態(tài)和參與細胞運動具有重要作用。它與晶狀體蛋白之間的相互作用是維持晶狀體透明度的基礎。念珠狀纖維蛋白(BFSP)是一種晶狀體特異性細胞骨架蛋白，它包含BFSP1和BFSP2的兩種核心成分，這兩種蛋白在α-晶狀體蛋白的存在下結(jié)合形成合適的珠狀結(jié)構，參與晶狀體的正常發(fā)育。編碼BFSP2的基因位于人類染色體3q21上[23]。

4.2鐵蛋白輕鏈基因Gasparini等[24]于1997年運用原位雜交技術將鐵蛋白輕鏈基因(FLT)定位于人染色體19q13.3。該基因由4個外顯子組成，編碼鐵蛋白的亞基。鐵蛋白是一種含有175個氨基酸的蛋白質(zhì)，由24個不同亞型重鏈鐵蛋白和輕鏈鐵蛋白組成。研究表明，鐵蛋白輕鏈基因突變造成白內(nèi)障可能有兩個原因：(1)鐵蛋白輕鏈和重鏈比例失調(diào)使得游離鐵離子和活性氧含量增加，影響晶狀體正常功能。(2)細胞鐵蛋白水平的增加使晶狀體蛋白聚集，導致晶狀體發(fā)生混濁[23]。

4.3酪氨酸激酶受體基因酪氨酸激酶受體基因(EPHA2)定位于1p36.1，編碼的跨膜酪氨酸激酶受體分子量約為130kD。有研究顯示EPHA2基因的突變占澳大利亞東南部先天性白內(nèi)障的4.7%[25]。另外對于動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，EPHA2功能喪失可以使小鼠表現(xiàn)為小角膜和雙眼白內(nèi)障[26]。

此外還有很多引起先天性白內(nèi)障綜合征的基因突變，表現(xiàn)為眼-腦-腎綜合征的OCRL基因突變[27]。定位于人染色體Xp11.3上的NDP基因突變，可表現(xiàn)為先天性白內(nèi)障、視網(wǎng)膜出血、智力障礙、神經(jīng)性耳聾[28]，以及引起白內(nèi)障、牙齒異常、顱面異常的NHS基因[29]等。

5小結(jié)

先天性白內(nèi)障仍然是全世界失明的主要原因，及早的手術治療、術后長期弱視訓練及視覺重建是目前治療該病的主要手段，因此早期明確診斷顯得尤為重要。在精準醫(yī)學時代，隨著PCR技術、Sanger測序、高通量測序、基因編輯等技術的應用，越來越多的與先天性白內(nèi)障相關的致病基因被發(fā)現(xiàn)，對于白內(nèi)障的發(fā)病機制也日漸明確，這也為基因水平上治療先天性白內(nèi)障提供了重要依據(jù)。對于有先天性白內(nèi)障家族史的家系，應進行基因的產(chǎn)前篩查，及早進行治療，提高我國人口出生質(zhì)量。