遗传相关的先天性白内障基因突变的研究进展

季亚男，张娟美，赵友财，赵 军，姜 涛，张 丹，田春柳，张琳琳

0引言

先天性白内障是指出生时或出生后早期发生的晶状体部分或完全混浊，是导致婴幼儿弱视或失明的常见眼病。由于婴幼儿眼球结构和发育与成人不同，且处于快速变化时期，因此手术时机、手术方式的选择均异于成人。如果不能早期诊断、早期治疗，将会导致形觉剥夺性弱视的发生，严重情况下可能失明，给患者及其家庭带来沉重的负担。因此明确先天性白内障的发病原因对于早期的诊断和干预治疗至关重要。目前已经发现40多种基因与先天性白内障有关，其中包括晶状体蛋白基因(CRYAA、CRYAB、CRYBB1、CRYBB2、CRYBB3、CRYBA1/A3、CRYBA2、CRYBA4、CRYGC、CRYGD和CRYGS)、膜蛋白基因(GJA3、GJA8、MIP、LIM2)、转录调节因子基因(HSF4、MAF、PITX3)和其他基因等。本文将分别从这些基因入手，对先天性白内障的基因突变进行综述。

1晶状体蛋白基因

晶状体蛋白是哺乳动物主要的晶状体结构蛋白，占晶状体水溶性蛋白的比例高达90%[1]。在晶状体蛋白家族中，有α-晶状体蛋白、β-晶状体蛋白和γ-晶状体蛋白三种成员，分别占总量的40%、35%、25%。三种晶状体蛋白按照合适的比例聚集成稳定的结构，在晶状体的正常发育和透明性的维持等方面发挥重要的作用[2]。晶状体蛋白基因的突变会影响晶状体蛋白的稳定性，致使蛋白质的组成与结构发生改变，导致不稳定蛋白质的聚集和沉淀，最终导致晶状体发生混浊形成白内障[3]。

1.1 α-晶状体蛋白α-晶状体蛋白属于小分子热休克蛋白(small heat shock protein，sHSP)家族，具有分子伴侣样作用，能够防止蛋白质在应激时的变性、聚集、沉淀和程序性死亡。此外，α-晶状体蛋白能促进β、γ-晶状体蛋白的正确折叠，对维持晶状体的透明性具有一定的作用[4]。α-晶状体蛋白可以进一步分为由CRYAA和CRYAB基因编码的αA-和αB-晶状体蛋白。αA-晶状体蛋白主要在晶状体中表达，在其他组织中仅发现微量，可以说αA-晶状体蛋白是晶状体的特异性蛋白。αB-晶状体蛋白存在于晶状体之外的多种组织，尤其是在大脑、心脏和肌肉中[5]。刘娴等[6]报道CRYAB基因1号外显子的一处错义突变c.59C>T，致使翻译的脯氨酸被精氨酸替代。此突变使氨基酸疏水性增大，降低了蛋白质的溶解性，引起蛋白质聚集，导致白内障的发生。研究显示基因编辑技术敲除家兔CRYAA基因，使3～52bp缺失突变，新生家兔可表现为先天性白内障、小眼球畸形、晶状体过早萎缩等特征[7]。这为进一步研究CRYAA基因与人类先天性白内障的关系提供了线索。

1.2 β-晶状体蛋白β和γ-晶状体蛋白均含有4个高度保守的“Greek Key”基序，每一个基序又由4个β折叠构成。这些特殊的结构和独立的空间排列对维持晶状体的透光度至关重要[8]。β-晶状体蛋白由7个亚基组成，分为酸性蛋白与碱性蛋白。其中酸性蛋白包括βA1/A3、βA2、βA4，碱性蛋白包括βB1、βB2、βB3。Wu等[9]报道了致病基因CRYBA3/A1内含子1-外显子2连接区的一处剪接突变c.30-2A>G。该突变产生截短的mRNA，导致不稳定性蛋白质的聚集和沉淀。在一个多形性先天性白内障家系中，CRYBB2基因的无义突变c.463C>T(p.Q155X)可导致翻译提前终止，影响了编码蛋白质C-端的长度，造成晶状体蛋白结构异常，从而导致晶状体发生混浊[10]。CRYB基因的突变可因家系不同表现为核性、粉尘状、全白、皮质性、蓝色点状白内障等[11]。

1.3 γ-晶状体蛋白γ-晶状体蛋白是晶状体蛋白家族中最小和最简单的成员。它是由173～174个氨基酸残基组成的分子量约为21kDa的单体。人类晶状体有三种主要的γ-晶状体蛋白——γC、γD和γS。γC和γD是在胚胎发育过程中合成，其基因定位于人染色体2q33-q35，而γS是在出生后合成，其基因定位于人染色体3q27。γ-晶状体蛋白不仅是晶状体的结构蛋白，还参与晶状体细胞的发育、分化及维持其透明度。Zhang等[12]在CRYGS基因第199个碱基位点上发现了一个T→A碱基替换c.199T>A。该突变所导致的γS-晶状体蛋白三级结构发生改变是晶状体透明度丧失的基础。γ-晶状体蛋白基因突变可引起核性、板层状、粉尘状、珊瑚状等多种类型白内障[13]。

2膜蛋白基因

晶状体作为一种无血管的组织，完全依赖于晶状体上皮来维持细胞外正常离子状态和氧化还原状态。晶状体细胞表面的膜蛋白在维持细胞代谢和离子交换等方面起着重要作用，以确保细胞间信号分子的正常传输和维持晶状体的透明性。

2.1缝隙连接通道蛋白缝隙连接是连接相邻细胞的通道，它允许离子和小分子物质在细胞之间进行交换，是无血管的晶状体细胞间通讯及物质循环的重要通道，对晶状体的稳态和透明性至关重要。目前发现连接蛋白(connexin，Cx)家族的三种同工型——Cx43、Cx46和Cx50，分别由基因GJA1、GJA3、GJA8编码。Cx43在晶状体分化后期被Cx46和Cx50取代。在中国人群先天性白内障突变谱中，GJA3、GJA8突变频率均在10%以上[14]。且这两种基因突变主要导致常染色体显性遗传核性粉尘状白内障的发生。Cx的突变可以导致通道功能的失活或降低、蛋白的错误折叠和转运障碍、细胞的发育及分化受影响等，进而引起晶状体的混浊[15]。

2.2主要内源性蛋白主要内源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)基因定位于12q13.3，也称为MIP26或AQP0。它是一种内在膜蛋白，占晶状体纤维细胞总膜蛋白的80%。MIP单体在细胞膜内结合成四聚体，形成水通道，选择性地将水分子运输通过细胞膜。它主要通过减少晶状体纤维细胞间的空隙维持晶状体透明[16]。MIP基因的移码突变c.682_683delAA，致使MIP的C-末端结构丢失，从而影响MIP的稳定性和亲水性，导致晶状体发生混浊[17]。

2.3内在膜蛋白19内在膜蛋白19(membrane protein 19，MP19)是由定位于人染色体19q13.4上的LIM2基因编码。MP19是脊椎动物眼睛晶状体纤维细胞中第二丰富的整合膜蛋白，仅次于MIP。它对于维持晶状体纤维细胞和上皮细胞间离子交换与代谢平衡、参与晶状体折光系数的形成具有不可或缺的作用。Irum等[18]报道了LIM2基因第233位碱基的一处错义突变c.233G>A(p.G78D)，突变破坏了MP19跨膜区的二级结构。有研究显示，转基因小鼠的LIM2基因突变也与先天性白内障相关[19]。

3转录调节因子

大多数转录调节因子的突变发生在DNA结合区，这可影响其与靶基因的结合，导致晶状体发育过程中蛋白质异常表达，进而使晶状体发育不良，引起晶状体混浊。

3.1热休克蛋白转录因子4基因热休克蛋白转录因子4(HSF4)基因定位于16q21，它能调控热休克蛋白(HSP)的表达，包括HSP70、HSP90a、HSP27。HSP作为分子伴侣，在蛋白质的合成、组装、转移、折叠、修复以及变性的过程中发挥重要作用[16]。Bu等[20]在先天性白内障家系中首次发现HSF4基因的突变，突变位于DNA结合域，影响晶状体正常发育。

3.2MAF基因MAF基因定位于16号染色体，编码的MAF转录调控因子由373个氨基酸组成。MAF基因在晶状体纤维细胞发育和分化过程中调节眼晶状体蛋白的表达。有文献证明纯合的MAF突变会使小鼠晶状体纤维细胞分化产生缺陷[21]。

3.3垂体同源盒基因3垂体同源盒基因3(PITX3)定位于人染色体10q25，是RIEG/PITX同源盒家族的一个成员。其编码的蛋白质在眼睛发育过程中参与晶状体的发育。PITX3第543位碱基鸟嘌呤的缺失543delG，导致一个包含127个多余氨基酸残基异常蛋白的产生[22]。

4其他基因

4.1细胞骨架蛋白基因细胞骨架蛋白是由多种丝状物质组成的胞浆蛋白，对于维持细胞形态和参与细胞运动具有重要作用。它与晶状体蛋白之间的相互作用是维持晶状体透明度的基础。念珠状纤维蛋白(BFSP)是一种晶状体特异性细胞骨架蛋白，它包含BFSP1和BFSP2的两种核心成分，这两种蛋白在α-晶状体蛋白的存在下结合形成合适的珠状结构，参与晶状体的正常发育。编码BFSP2的基因位于人类染色体3q21上[23]。

4.2铁蛋白轻链基因Gasparini等[24]于1997年运用原位杂交技术将铁蛋白轻链基因(FLT)定位于人染色体19q13.3。该基因由4个外显子组成，编码铁蛋白的亚基。铁蛋白是一种含有175个氨基酸的蛋白质，由24个不同亚型重链铁蛋白和轻链铁蛋白组成。研究表明，铁蛋白轻链基因突变造成白内障可能有两个原因：(1)铁蛋白轻链和重链比例失调使得游离铁离子和活性氧含量增加，影响晶状体正常功能。(2)细胞铁蛋白水平的增加使晶状体蛋白聚集，导致晶状体发生混浊[23]。

4.3酪氨酸激酶受体基因酪氨酸激酶受体基因(EPHA2)定位于1p36.1，编码的跨膜酪氨酸激酶受体分子量约为130kD。有研究显示EPHA2基因的突变占澳大利亚东南部先天性白内障的4.7%[25]。另外对于动物模型的研究发现，EPHA2功能丧失可以使小鼠表现为小角膜和双眼白内障[26]。

此外还有很多引起先天性白内障综合征的基因突变，表现为眼-脑-肾综合征的OCRL基因突变[27]。定位于人染色体Xp11.3上的NDP基因突变，可表现为先天性白内障、视网膜出血、智力障碍、神经性耳聋[28]，以及引起白内障、牙齿异常、颅面异常的NHS基因[29]等。

5小结

先天性白内障仍然是全世界失明的主要原因，及早的手术治疗、术后长期弱视训练及视觉重建是目前治疗该病的主要手段，因此早期明确诊断显得尤为重要。在精准医学时代，随着PCR技术、Sanger测序、高通量测序、基因编辑等技术的应用，越来越多的与先天性白内障相关的致病基因被发现，对于白内障的发病机制也日渐明确，这也为基因水平上治疗先天性白内障提供了重要依据。对于有先天性白内障家族史的家系，应进行基因的产前筛查，及早进行治疗，提高我国人口出生质量。