先天性遗传性白内障的遗传学研究进展

陈 超，李 雪，张 莉，钟子琳，陈建军，

（1.同济大学医学院医学遗传学系，上海 200092；2.赣南医学院心脑血管疾病防治教育部重点实验室，江西 赣州 341000）

据估计，每10万名儿童中约有72人患有先天性白内障，估计值从12~136人不等，且在发展中国家普遍较高［1-2］。遗传性白内障通常占先天性白内障的8.3%到25%之间［3］。先天性白内障可作为孤立缺陷发生，或与其他前房发育异常（如小眼症和无虹膜症）相关。晶状体混浊也可能是多系统遗传疾病的一部分，例如染色体异常、Lowe综合征以及Nance Horan综合征。作为人类第一种被定位的常染色体疾病，先天性白内障被证明与表型异质性有关［4-5］。大多数遗传性白内障是常染色体显性遗传，具有完整的外显率，常染色体隐性遗传和X连锁遗传模式则较为少见［6］。本文将对最新的先天性遗传性白内障遗传学研究进行综述。

1 晶状体的功能和发育

白内障的关键病理学基础为晶状体混浊（不透明性）［7］，晶状体的透明度主要取决于晶状体细胞的有序排列及其蛋白质成分的紧密堆积［8］。晶状体微结构的破坏，包括细胞紊乱和液泡形成，会引起光密度的大幅波动，从而导致光散射，引发白内障。高浓度或大分子量的蛋白聚合物也可能导致晶状体混浊。由于晶体蛋白占可溶性晶状体蛋白的90%以上，因此它们在均匀相中的短程有序堆积对于维持晶状体透明性十分重要。

人体胚胎发育到第22天（原肠胚形成期），在前神经板的中央形成两个视泡，并进一步诱导附近的表面外胚层形成晶状体基板（晶状体前体）［9-10］。视泡从表面外胚层分离后，晶状体前囊中的细胞持续增殖并逐渐分化为前囊下上皮细胞，而后部的细胞变薄变长，分化成原发性晶状体纤维，形成胚核［11］。新分化的纤维细胞终生继续生长，并在终末分化过程中，去除细胞核和其他细胞器，以最大程度地保持透明度，减少光散射。胎儿发育过程中晶状体细胞结构异常、晶状体蛋白质突变或两者组合的改变，均可能造成先天性白内障。因此，遗传突变是造成先天性白内障的根本原因。

2 相关致病基因及编码蛋白

目前，在已知致病基因编码的蛋白中，大约一半为晶体蛋白，四分之一为膜相关蛋白，其余的则是细胞骨架蛋白和转录因子，以及细胞器降解相关蛋白［12］。

2.1 晶体蛋白晶体蛋白（α、β和γ）是晶状体中最主要的可溶性蛋白。因此，对保持晶状体的光学特征和功能至关重要。已有研究证实，当β-和γ-晶体蛋白遭到损害时会形成不可逆的聚集体，并被具有类伴侣蛋白活性的α-晶状体蛋白结合，从而改变晶状体构型，引起白内障［13］。

α-晶体蛋白包括两个亚型，分别为由CRYAA和CRYAB编码的αA-和αB-晶体蛋白。JIA Z K等［14］构建了CRYAA（Y118D）突变小鼠模型，发现其晶状体显示出严重的后极破裂，异常的形态变化和晶体蛋白纤维异常排列。另一项研究鉴定发现CRYAB终止密码子中的1个杂合p.X176Y突变。该突变导致其翻译蛋白延长了19个氨基酸残基，通过在二级结构中形成新的α-螺旋和无规则卷曲，以及在三级结构中产生延伸链，可导致疏水性增加和蛋白质稳定性降低［15］。截至目前，研究已发现有25个突变CRYAA和18个突变CRYAB引起先天性白内障，占所有晶体蛋白突变的25.8%［16］。

β-和γ-晶体蛋白具有相同的结构单元，同属一个超蛋白家族，大多数β-、γ-晶体蛋白突变通过破坏蛋白质结构的稳定，最终导致变性。β-晶状体蛋白由7个亚基组成，分为βA1、A3、βA2、βA4、βB1、βB2和βB3，一项涵盖6个中国家庭的研究通过靶向外显子组测序，揭示了4个β-晶体蛋白基因中的6个突变，其中包括5个错义突变CRYBB1 p.Q70P，CRYBB2 p.E23Q，CRYBB2 p.A49V，CRYBB2 R188C，CRYBA4 p.M14K和1个剪接突变CRYBB3 c.75＋1 G＞A［17］。CRYBB3 c.75＋1 G＞A断裂的剪接位点，导致终止密码子前移并产生113个氨基酸的短肽，可能影响蛋白质的功能。先天性白内障突变主要在编码γ-晶体蛋白的CRYGC、CRYGD和CYRGS基因中发现。FU C等［18］调查γC-晶状体蛋白中L45P和Y46D突变，发现二者能够通过改变第二个希腊关键基序中Trp残基周围的氢键网络，使γC-晶状体蛋白不稳定。此外，一些研究者发现CRYGD的p.P23T突变增加了蛋白质间的疏水相互作用，导致蛋白质沉淀。例如，p.R36S突变则引起蛋白质在晶状体内结晶，而p.R14C突变使蛋白质对硫醇介导的聚集敏感［19-21］；这说明晶体蛋白不需要在其蛋白质折叠中经历变性或其他重大变化，仅改变表面特征，从而降低溶解性或增强蛋白质的相互作用，析出形成沉淀，也可导致白内障。

2.2 膜相关蛋白晶状体上皮细胞在向纤维细胞转变的过程中急剧伸长，这一过程需要快速合成大量的膜脂和蛋白，这些蛋白在晶状体中保持适当的渗透压和离子平衡，并在细胞间信号的传递中起重要作用［22］。因此，膜相关蛋白基因构成了白内障致病基因的很大一部分，包括主要内在蛋白基因（MIP）、连接蛋白基因（GJA）、编码内在膜蛋白19（MP19）的LIM2基因和编码蛋白酪氨酸激酶的ephrin受体亚家族成员的EPHA2基因等。

晶状体主要内在蛋白（MIP）也称为水通道蛋白0（AQP0），是水透过细胞膜渗透的通道，在终末分化的晶状体纤维中高度表达，几乎为晶状体总纤维细胞膜蛋白的一半，对维持晶状体稳态极为重要［23］。2018年，YUAN C等［24］通过筛选的全部患有白内障的家庭四代人口，鉴定了位于MIP蛋白细胞内环E中的p.P191R突变，推测该突变影响了MIP蛋白的运输并降低了其表达水平。另外，研究人员在大熊猫MIP基因中发现了1个新的错义突变（c.686G＞A），导致蛋白质C末端尾巴中的天冬酰胺（p.S229N）取代丝氨酸，预测该突变会诱导构象变化，从而干扰晶状体通透性和细胞间相互作用［25］。

连接蛋白通过转运小于1 KDa的小分子，包括cAMP、cGMP和钙离子等，以维持晶状体透明性和代谢平衡［26］；分为3个亚型Cx43、Cx46和Cx50，分别由基因GJA1、GJA3和GJA8编码，GJA1主要在晶状体上皮细胞中表达，GJA3主要在晶状体成纤维细胞中表达［27］。迄今为止，已经在GJA3中发现了55个杂合变异体和1个纯合体变异体，在GJA8中发现了90个杂合变异体和1个纯合体变异体［28］。有研究发现，在先天性白内障家系的GJA3中有1个反复出现的杂合错义突变c.T148C（p.S50P），引起了间隙连接失调［29］。

内在膜蛋白19是一种晶状体特异性细胞整合膜蛋白，参与细胞黏附和连接形成，充当钙调蛋白的受体，并且可能在晶状体发育和白内障发生中起重要作用，编码该蛋白的LIM2突变会导致核性白内障。BERRY V等［30］在2个白内障家系LIM2上发现的新型错义突变c.388C＞T（p.R130C），会导致孤立的常染色体显性先天性白内障。

EPHA2编码蛋白酪氨酸激酶受体亚家族的成员，研究表明EPHA2及其配体ephrin-A5（EFNA5）或ephrin-A1（EFNA1）在细胞迁移和晶状体纤维排列中起着至关重要的作用［31-33］。目前，已发现22种致病性EPHA2突变。HARDING P等［33］检测了白内障家系EPHA2的2个突变c.1751C＞T（p.Pro584Leu）和c.2826-9G＞A，并观察到EPHA2敲低斑马鱼晶状体中N-钙黏着蛋白和纤维细胞核的错误表达。

2.3 细胞骨架蛋白晶状体纤维细胞形态的发育和稳定由细胞骨架蛋白和细胞黏附分子之间的相互作用所支持，中间丝蛋白是晶状体细胞骨架中最有弹性的成分，可能在调节细胞运动和迁移以及支持晶状体纤维的结构中起关键作用。BFSP1和BFSP2编码的中间丝蛋白，与α-晶体蛋白结合形成念珠状结构，仅在晶状体纤维细胞中存在，参与晶状体的正常发育。这两种基因的错义或缺失突变往往会导致核型或核板层显性白内障，而移码和无义突变会导致隐性皮质性白内障［34-35］。表胶质蛋白是另一种细胞骨架蛋白，已在先天性白内障患者中鉴定出其编码基因PRX的突变［36］。

2.4 转录因子参与眼睛发育的转录因子基因的突变可能主要表型为白内障。Pax6是一种在发育中的神经系统和眼睛中表达的成对盒和同源盒结构域蛋白，是眼发育中最早活跃的转录因子之一。大多数PAX6基因突变会导致全身性眼睛发育缺陷，如无眼球、无虹膜；然而，一种仅影响C末端脯氨酸-丝氨酸-苏氨酸富含结构域的轻微突变与板层白内障有关［37］。HSF4调控热休克转录因子的转录，包括晶状体αB-晶体蛋白，常染色体显性白内障的HSF4突变位于α-螺旋DNA结合域内，而常染色体隐性白内障的HSF4突变位于这个功能保守区域之外［38］。MAF编码1个bZIP转录因子，它与位于靶基因（比如CRY和MIP）启动子区域的MAF反应元件结合，具有不同的反式激活特性。MAF突变位于保守的DNA结合区，是常染色体显性遗传白内障的基础，疾病的严重程度与几个β/γ晶体蛋白基因的差异反式激活相关［39］。其他转录因子（包括FOXE3、EYA1、PITX3和NHS等）的突变也会引起白内障，这些突变也可能与更广泛的缺陷有关，包括小角膜、虹膜缺损、小眼炎和角膜缺损等［40-42］。

2.5 细胞器降解相关蛋白晶状体的发育一是需要晶状体上皮细胞正常分化，二是需要程序性消除多余或失活细胞器，这两个过程都需要高水平的蛋白质降解。FYCO1是一种在自噬囊泡微管运输中活跃的支架蛋白，其结构域包括α螺旋RUN域，4个长卷曲螺旋区域，1个FYVE锌指结构域，LC3-相互作用区（LIR）和高尔基体动力学（GOLD）结构域［43-44］。2011年，CHEN J和他的同事在常染色体隐性白内障家族性病例中，首次鉴定出了位于3p染色体上与CATC2基因座重叠区域的9个FYCO1突变［45］。随后，他们又报道了巴基斯坦家庭中2个FYCO1纯合突变（c.2345delA；p.Gln782ArgfsTer32和c.3151-2A＞C；p.Ala1051AspfsTer27）［46］。此外，在其他4个常染色体隐性遗传性先天性白内障巴基斯坦家系中，37.1%的人群检测到基因突变，其中FYCO1基因突变占14%，可以说该基因突变较为常见。近年来，又有研究报告了中国、俄罗斯和印度的家族性和散发性病例的FYCO1突变［47-49］。迄今为止，总共在FYCO1中发现了19个突变，其中FYCO1的卷曲螺旋区域中有11个突变；突变引起发育中的晶状体FYCO1表达下调，可抑制自噬小体向溶酶体的转运，导致LC3+囊泡运输受阻，形成累积并影响晶状体透明度，最终形成白内障［50］。

另外，有文章报道mTOR蛋白复合体1（mTORC1）的关键调节因子（RRAGA）中的突变与常染色体显性白内障相关，可能途径为RRAGA向溶酶体的重新定位增加，mTORC1磷酸化上调，自噬下调，细胞生长改变或启动子活性受损［51］。上述研究提示自噬囊泡在发育中的晶状体纤维细胞的细胞器降解中十分关键，这与自噬在保持晶状体透明性的重要作用一致［52］。

3 先天性白内障发生机制

综上所述，先天性白内障往往是由基因突变引起的，这些基因所编码蛋白的结构和功能会产生严重缺陷。对于转录因子来说，这可能意味着在晶状体发育的临界点缺乏转录激活因子，导致适当的晶状体结构和蛋白质成分失效；对于膜和通道蛋白来说，这也许意味着离子或溶质运输减弱甚至阻断；对于晶体蛋白来说，这通常意味着蛋白质折叠的严重破坏，导致蛋白质的快速变性，伴随而来晶状体细胞质可溶性相的沉淀。突变蛋白发挥这些作用的一种可能机制是诱导非折叠蛋白反应（UPR），并最终导致晶状体细胞凋亡或自噬减少。UPR由一组进化上保守的适应性细胞内信号通路组成，这些信号通路用于减少内质网应激（ER应激），当大量变性、错误折叠或未折叠的蛋白质在内质网腔内积累时，内质网应激就会发生。

在生理条件下，70 kDa的热休克蛋白5（HSPA5，也称作Bip或GRP78）与ER-IRE1、ATF6和EIF2AK3这3个主要感受器结合，使它们处于非激活状态。当大量未折叠蛋白存在时，HSPA5从这3个感受器上解离，激活它们并启动UPR［53］。IRE1α介导的UPR通过上调ATG7的表达以及从Bcl-2释放Beclin-1分子促进自噬的发生，亦可通过XBP1分子对自噬起负调控作用［54-55］；ATF6介导的UPR可通过上调LC3的表达，释放Beclin-1分子以及抑制mTOR活性激活自噬［56-57］；EIF2AK3介导的UPR可通过上调自噬相关基因LC3、ATG5、ATG12等的表达，促进LC3的酯化以及抑制mTOR活性促进自噬发生［58］。自噬可加快胚胎期晶状体错误折叠蛋白的降解，降低内质网应激水平，恢复细胞稳态，保护晶状体发育［59］。面对严重的内质网应激，UPR内稳态失衡，此时自噬受到抑制，并且通过内源性途径和线粒体介导途径以及EIF2AK3对基因表达的调控来诱导细胞凋亡［60］。这种反应需要ATF6激活特定的基因转录，包括诱导XBP1和IRE1，致使XBP1裂解并激活诱导一系列下游介质的转录，如P58和DNA损伤诱导转录物3（DDIT3）［61-62］。当这些下游介质被内质网应激激活时，抑制许多基因的转录，从而促进凋亡，导致许多类型的先天性白内障中晶状体组织学的病理表现。

越来越多的证据表明，UPR和细胞凋亡及自噬在先天性白内障中都有潜在的作用，特别是在晶状体上皮细胞，它比纤维细胞具有更高的代谢活性。据报道，自噬抑制作用减弱了TGF-β2诱导的晶状体上皮细胞上皮-间质转化，引起晶状体混浊［63］。而在另一项研究中，PINGX等［64］用自噬激活剂——雷帕霉素，减轻了由GJA8b敲除引起的白内障。在白内障动物模型中，半乳糖血症大鼠的晶状体上皮细胞和培养的去糖转化的晶状体上皮细胞中，均发现了UPR的早期发生［65］。半乳糖性白内障的组织学特征与P.C42Afs*63突变体CRYGC转基因小鼠白内障相似，伴有空泡化和细胞死亡［66］。更为直接的证据是，凋亡和UPR元件与敲除p.Arg49Cys CRYAA的小鼠和表达p.Ser50Pro及p.Gly22Arg GJA8突变的小鼠的白内障有关，尽管后者只轻度诱导了UPR［67-68］。此外，上述CRYAA突变小鼠在UPR标记物XBP1上调的同时，p62蛋白水平特异性下降，这表明突变体晶状体中的自噬被抑制。

4 总结与展望

随着近年来测序技术和分子生物学研究的发展，更多的基因和信号通路被证明与晶状体发育和先天性白内障有关，从而扩大了遗传性白内障和遗传性眼病的遗传谱。这些研究对晶状体生物学提供了新的见解，为先天性白内障患者提供产前诊断指导和遗传咨询的实验依据；鉴定白内障的高风险遗传变异至关重要，这是预防白内障的根本策略，从而减轻家庭的疾病负担。不远的将来，当基因治疗进入临床实际应用阶段，这些前期工作将可能转化为强大的生产力——提供个性化精准化的治疗靶点，造福广大患者，并带来重大的社会价值和极为可观的经济效益。