遗传性先天性白内障致病基因的研究进展

曹玉洁 王陆飞

(吉林大学第二医院眼科 长春 130000)

先天性白内障(congenital cataract，CC)是指出生前或出生后1周岁以内出现晶状体不透明进而引起折射率发生变化的眼部疾病，通常是由晶状体内高分子蛋白聚集物浓度增高导致。据统计，CC在我国患病率约为0.05%[1]，可以独立发病，也可以以系统性疾病的形式存在。CC中有1/3左右是由遗传导致，人类基因组有多种基因参与晶状体内重要蛋白的编码，这些基因突变后可影响晶状体的结构、代谢和发育等。本文主要在结构功能、常见突变、致病原理等方面对遗传性白内障的致病基因进行总结。

1 晶状体的发育

晶状体起源于头外胚层，Pax6和Sox2基因诱导形成晶状体基板，后者内翻形成囊泡并随胚胎发育脱离外胚层，前部的细胞分化为晶状体上皮，后部的细胞伸长、转化并产生初级晶状体纤维形成胚胎晶状体核。晶状体上皮细胞在氧化应激和细胞因子刺激的作用下，不断增殖并转化拉长成为次级晶状体纤维细胞来形成晶状体外壳，此过程中泛素-蛋白酶体途径和细胞自噬作用造成细胞器的消失[2]。

2 导致晶状体结构异常的基因

2.1 晶状体蛋白基因 晶状体蛋白是晶状体内含量最高的水溶性蛋白，根据凝胶洗脱顺序可分为α-、β-和γ-蛋白3种，其除自身的功能之外还可以支撑晶状体结构。

α-晶状体蛋白(α-crystallin，CRYA)是小热休克蛋白家族的一员，有CRYAA和CRYAB 2个成员，此类单分子蛋白子属于分子伴侣，能够抑制变性蛋白质的凝聚并促进其复性，还可以保护细胞骨架的完整性[3]。

CRYAA由位于染色体21q22.3的CRYAA基因编码，在结构上包含有一个疏水C端NTR、一个高度保守的ACD(αcrystallin domain)和一个短的亲水N端。发生于该基因的突变多为中性或疏水性氨基酸对精氨酸的替代[4]，特别是R12、R21、R49、R54、R65、R103、R119、R117、R116这9个残基是突变热点[5]。CRYAB基因位于染色体11q23.1，该基因的突变多位于编码N-末端的1号外显子[6]，如p.X176Y突变以常染色体显性(αutosomal dominant，AD)方式遗传，患者表现为后极性白内障[7]。

β-晶状体蛋白(β-crystallin，CRYB)与γ-晶状体蛋白(γ-crystallin，CRYG)同属于β/γ晶状体蛋白亚家族，共含有2个结构域，每个结构域皆由一对高度保守的“Greek Key”结构(GKM)堆积而成，而每一个GKM中又含有4个反向平行的β-折叠，保证了蛋白质的正确组装和结构功能[8]。突变后的CRYB基因导致白内障主要是通过以下机制：GKM形成异常；蛋白质溶解度降低；蛋白质之间的动态寡聚平衡改变；蛋白质对压力的敏感性以及蛋白质之间的相互作用受影响[9]。该蛋白家族也有多个成员。

CRYBA1/A3基因位于染色体17q11.2，它可以在同一条mRNA的不同起点开始翻译得到βA1-和βA3-两种蛋白[10]。发生于该基因的突变多为插入突变，特别是IVS3+1G＞A 最常见，可出现核性、带状、粉末状、Y形等多种混浊形式[9]。CRYBB1、B2、B3基因皆位于染色体22q11，发生于CRYBB1基因的错义突变c.209A＞C以AD方式遗传,患者晶状体核混浊[11]。CRYBB2基因最常见的突变是c.463C＞T(p.Q155X)，患者有较大的临床表现异质性，包括皮质性、核性、全白混浊等[4,9,12]。2021年新突变c.230G＞A在中国被发现，患者皆表现为晶状体核混浊[13]。CRYBB3基因目前仅有10种突变被报道与CC有关，其中c.466G＞A与c.467G＞A这2种突变还会导致患者小眼球表现，前者晶状体表现为核性混浊，后者为前极部混浊[14]。

γC、γD-晶 状 体 蛋 白(γC、γD-crystallin，CRYGC/CRYGD)基因位于染色体2q33.3，最近在中国发现了CRYGD的错义突变c.70C＞A，患者皆呈现双眼对称的珊瑚状混浊，突变以AD方式遗传[15]；CRYGS(γS-crystallin，CRYGS)基因位于3q27.3,该基因突变可导致编码产物结构被破坏且患者大多表现为核性白内障[16]。

2.2 细胞骨架蛋白基因 晶状体细胞骨架由微管、微丝以及中间丝(IFs)三部分组成，其中IFs最具弹性，可以调节细胞运动以及支持晶状体纤维支架[17]。BFSP1和BFSP2蛋白是IFs家族中的2个重要成员，仅在晶状体中表达。在结构上，二者两侧为头部和尾部区域，中央部分为4个短杆状的α-螺旋卷曲结构域1A、1B、2A、2B和穿插于它们之间的3个无螺旋结构L1、L2、L3[18]。BFSP1和BFSP2基因的突变在遗传性白内障中均已发现，突变使晶状体纤维支架结构被破坏，前者多为表现核性或板层状混浊，后者多为皮质性混浊[19]。

3 导致晶状体代谢异常的基因

3.1 膜蛋白基因 众所周知，晶状体无脉管结构，且该器官除上皮细胞之外其余皆为无细胞器细胞，所以各种膜蛋白及通道对小分子物质如水分子、三磷酸腺苷(ATP)、第二信使等的转运和维持细胞内稳态及代谢至关重要。

晶状体相邻细胞质膜上存在跨膜半通道(即连接子)，相邻连接子上的亲水通道锚定对接形成缝隙连接。连接子由6个4次跨膜的连接蛋白(connexin，Cx)组成，Cx有共同的拓扑结构：位于细胞内的N-末端和C-末端、由2个细胞外环和1个细胞内环连接的4次跨膜结构域。N-末端有电压门控作用，而2个细胞外环可以与相邻连接子锚定。缝隙连接的开关主要受电压、钙离子浓度、磷酸化、pH等因素影响，可维持细胞间的通信和物质传递以及影响细胞生长分化凋亡。Cx43、Cx46、Cx50分别由GJA1、A3、A8(gap junction protein1/3/8)基因编码。发生于GJA8的突变p.R76H和c.154T＞C皆造成了患者核性白内障，在原理上前者影响了缝隙连接的形成，后者造成连接通道阻力降低，小分子物质泄漏[20-21]。新发现的突变c.64G＞C呈AD遗传，在同一家族中出现核混浊、全白混浊、Y形缝混浊等多种表型[22]。

主要内在蛋白(major intrinsic protein，MIP)，又名水通道蛋白0(AQP0)，由位于染色体12q13.3的MIP基因编码，是晶状体中含量最高的膜蛋白。MIP除了作为水通道，还可以黏附相邻晶状体纤维，与钙调蛋白、中间丝蛋白等其他蛋白相互作用[23]。AQP0共含有4个单体，每一个单体又包含有2个插入膜中和6个斜向跨膜的α螺旋，前者顶端各有一个保守的氨基酸序列Asn-Pro-Ala(NPA)来维持结构稳定。该基因的异常也会引起白内障发生，例如突变c.572C＞G造成AQP0在细胞膜表面表达水平降低,水分子进出细胞以及晶状体代谢异常，患者晶状体呈全白混浊[24]。

3.2CHBP4B基因 CHMP4B (vcharged multivesicular body protein 4B)存在于晶状体细胞的微核中，可通过促进自噬溶酶体对微核进行识别与融合来引起DNA的降解，也可促进细胞的分裂与分化[25]。近期在中国发现了该基因的新突变c.587C＞G，呈AD遗传且受累患者皆表现为晶状体前囊膜下混浊[22]。

3.3FYCO1基因 FYCO(FYVE and coiled-coil domain containing)是一种结合蛋白，主要作用是介导微管和自噬体的囊泡运输，促进晶状体纤维细胞分化和细胞器消失[26]。FYCO1基因定位于染色体3p21.31，总共有17个外显子，发生突变时可引起自噬体在胞内停留时间过长而产生过多活性氧，影响晶状体代谢。例如巴基斯坦一家族中出现了纯合突变c.4270C＞T，受累患者皆表现为双侧白内障以及伴有不同程度的眼球震颤，突变以常染色体隐性(autosomal recessive，AR)方式遗传[27]。

3.4 其他基因 半乳糖激酶1(Galactokinase1，GALK1)由GALK1基因编码，主要控制体内乳糖的基本代谢途径，该基因突变可使晶状体内乳糖代谢异常而引起聚集导致白内障[28]。羊毛固醇合成酶(lanoserol synthase，LSS)由位于染色体9p24.2上的LSS基因编码，主要作用是合成羊毛固醇，这种物质缺乏时可引起晶状体内蛋白聚集而出现混浊[29]。SLCT7A8基因的编码产物LAT2是一种氨基酸转运蛋白，该基因突变可引起晶状体内必需氨基酸含量大幅下降，影响晶状体代谢并加速晶状体老化[30]。定位于11q23.3染色体的DPAGT1基因编码产物是一种糖基化催化剂，此基因出现异常时可造成晶状体内糖基化的异常，引起包括白内障在内的眼部疾患[31]。

4 导致晶状体发育异常的基因

4.1 热休克转录因子4基因 热休克转录因子4(heat shock transcription factor 4，HSF4)基因位于染色体16q21，HSF4在结构上有2个功能域：N-端侧的螺旋-转角-螺旋结构域(DBD)，主要功能是与热休克原件相结合；C-端侧的拉链样亮氨酸七肽重复A/B(HR-A/B)结构域，可以应激条件下帮助单体HSF4进行三聚化，这是与热休克原件相结合的前提[32]。

最近AD遗传突变c.486-2A＞G在一西班牙家庭中被发现，受累个体全部表现为晶状体核混浊[33]。据统计，AD突变都位于DBD区域，而AR突变都位于“HR-A/B”及其下游区域，分别通过直接或间接影响其与热休克原件的结合，使热休克蛋白及其分子伴侣的表达无法被抑制，造成晶状体发育受限而出现混浊[34]。

4.2 同源盒基因3PITX3(paired-like homeodomain 3)基因属于同源盒基因PITX/RIEG家族，位于染色体10q25，其编码产物中含有2个功能域：N-端侧的同源盒区域和C-端侧的OAR结构域，主要作用是与靶基因(如MIP、FOXE3、LEMD2等基因)结合和反活化以及确保下游基因的表达，以此来调节晶状体的发育[35]。

迄今已发现的位于功能域的突变只有1例，即发生于OAR的缺失突变c.797-814del，晶状体呈现后囊膜混浊，其余突变皆位于非功能区[35]。

4.3MAF蛋白基因 肌筋膜纤维肉瘤癌基因同源物(musculoaponeuroticfibrosarcoma oncogene homolog，MAF)是一种基本的亮氨酸拉链转录调控因子，由染色体16q23.2上的MAF基因编码[36]。MAF蛋白包含2个功能区域：N-端的反式激活域和 C-端的DNA结合区，后者又包括扩展同源区EHR、基本区域模体BR和亮氨酸拉链区LZ[37]。BR可以直接与靶基因相结合，LZ使MAF单体的二聚化，EHR通过与靶基因的螺旋结构相接触来稳定其与BR的结合[38]。MAF蛋白的作用在于与靶基因启动子中的被称为MAREs的镁铁质反应元件相结合，以调控各种晶状体蛋白基因的表达[39]。

2019年发现了位于EHR区域的新突变c.812T＞A，该突变通过限制靶基因的表达，影响晶状体内的氧化应激作用,患者表现为核性白内障[39]。

4.4 酪氨酸激酶受体基因 酪氨酸激酶受体(ephrin type-A receptor，EPHA2)基因位于染色体1p36.1，EPHA2是一种跨膜糖蛋白，在细胞膜两侧都存在功能结构域，活化的EPHA2发出的信号能够提高晶状体上皮细胞的抗氧化能力，防止活性氧过量产生，保持晶状体的正常发育，还可促进晶状体纤维细胞有序排列。

该基因发生突变后可引起白内障发生，如杂合突变c.2826-9G＞A即被证明可引起核性白内障，c.1751C＞T、c.2826-9G＞A则与先天性双眼白内障和眼球震颤有关[33,40]。

4.5PAX6基因PAX6基因位于染色体11p13，其编码产物共有14个外显子，主要结构为N端配对结构域及C端同源结构域，在晶状体基板及囊泡形成的过程中起到重要作用，同时还可调节晶状体蛋白和其他结构蛋白的表达[41]。PAX6基因一开始被描述为无虹膜的候选基因，后来人们发现该基因突变时患者往往会伴随有白内障、青光眼、角膜白斑等眼部疾病。AD遗传突变c.184 G＞A和c.470-477dup皆被证明可导致晶状体核混浊，这可能与晶状体纤维细胞形态和组织功能被破坏有关[42]。

4.6SOX2基因 SOX2蛋白属于高迁移组DNA结合蛋白家族，结构上含有一DNA结合域和一C-端反式激活结构域，后者能激活下游靶基因的表达，促进细胞分化和器官发育，该基因突变往往使患者表现为无眼球或小眼球、白内障、小角膜等眼部发育不全症状[43]。突变c.542C＞A和541_542delinsGA在2个印度家庭中被发现，患者表现为双眼小眼球伴白内障，以AD方式遗传[44]。

4.7SIPA1L3基因SIPA1L3基因的编码产物为一种RAP信号负调节因子，与RAP结合时会使后者从活性的GTP结合形式转变为无活性的GDP结合形式，对晶状体及神经发育起到重要作用[45]。2015年发生于该基因的无义突变c.4489C＞T第一次被发现，患者晶状体呈现全白混浊，后来又一错义突变c.1871A ＞ G被发现于一中国家族，患者表现为核性白内障[46]。

4.8 其他基因 位于染色体1p36.32的泛素激酶4(pantothenate kinase 4，PANK4)基因编码产物由晶状体上皮细胞表达，Sun等[47]发现了突变g.2451906C＞T可造成晶状体后极部混浊，并指出这与突变诱导了晶状体上皮细胞凋亡有关。2019年有研究者[48]发现了一新的CC候选基因TSR1，该基因位于染色体17p13.3，编码产物为含有804个氨基酸的前体rRNA加工蛋白，主要作用于40S核糖体的成熟过程。杂合突变c.202-1G＞A影响到mRNA的剪接，晶状体内细胞生长凋亡等过程紊乱，晶状体出现混浊[49]。MSX2基因编码产物为一种转录抑制蛋白，可调控细胞抑制与凋亡，张娇等[50]通过建立小鼠MSX2诱导模型，总结出在该基因过度表达的情况下晶状体胶原异常沉积，晶状体混浊。而于紫燕等[51]发现MSX2基因敲除小鼠出现晶状体过小、晶状体混浊、小眼球畸形等症状。

5 以综合征形式存在的遗传性白内障

以各种系统或全身综合征的形式存在的遗传性白内障基本以X连锁遗传方式为主。

5.1 眼面心牙综合征 眼面心牙(oculofaciocardiodental，OFCD)综合征是一种由于BCOR(BCL-6 corepressor)基因突变引起的X染色体显性(X chromosome dominant，XD)遗传综合征。该基因位于染色体Xp11.4，编码产物为BCL-6辅助抑制因子，能够通过改变染色质修饰来对BCL-6因子(一种转录抑制因子)的形成进行抑制，从而保证转录的正常进行。患者的临床表现常有着较为明显的特征，即出现眼、面部、心血管、牙齿的异常，如白内障、小眼球、唇腭裂、牙齿发育迟缓、心间隔缺失，动脉导管未闭等。

最近在2个中国男孩体内发现了该基因的新突变c.659_662delAGGG和c.2257-2A＞T，两患者皆表现出明显的综合征表型[52]。

5.2 Nance-Horan综合征 Nance-Horan综合征(Nance-Horan syndrome，NHS)基因突变引起的X染色体隐性(X chromosome recessive，XR)遗传综合征，在多个器官系统有表现：面部、牙齿、骨骼、心脏和神经系统，白内障便是典型症状之一，且男性患者的临床症状往往重于女性。突变c.C4449G在北京被发现，患者表现为核性白内障、咬合不全、颜面狭长、耳廓前倾，这是由于突变使得其本定位于晶状体上皮细胞外围的编码产物出现在细胞质中，细胞骨架结构被破坏且胞间连接受影响导致的[53]。

5.3 Lowe综合征 Lowe综合征又称眼脑肾综合征(oculocerebrorenl syndrome)，是位于染色体Xq26.1的OCRL基因突变引起的XR遗传综合征，OCRL基因共有23个外显子，编码PH区，5-phosphatase区，ASH区以及Rho GAP区这4个结构域，与Lowe综合征相关的基因多定位于8-23号外显子[54]。突变患者有先天性白内障、智力障碍、肾小管功能异常等临床表现，这是由OCRL基因编码的肌醇多磷酸 5-磷酸酶减少，细胞内吞、肌动蛋白骨架失调、成纤维细胞迁移不良造成的[55]。c.2257-2A＞T是该基因最新发现的突变，患儿除先天性白内障外还表现出轻度系膜增生性肾小球肾炎、轻度局灶性单核细胞浸润和间质局灶性纤维化[52]。

6 结语

先天性白内障可以是家族遗传性的或是散发的，也可以是多种遗传病或系统性疾病伴发的。先天性白内障的致病基因也多种多样，引起不同形态的晶状体混浊。目前，先天性白内障仍然依赖于手术治疗，随着玻璃体切除技术在先天性白内障的应用，手术趋向于更加微创，同时晶状体干细胞移植技术也在不断进步，配合积极的视力矫正，患儿恢复视力的比例得到极大的提高。但是对于先天性白内障，早期预防和筛查对及时治疗和提高患儿治疗效果等方面有着更为重要的意义，只有详细掌握该病的致病机制及分子机制，才能够有针对性地正确诊断，甚至靶向治疗。