先天性白内障致病基因机制研究进展

2022-11-28沈嘉薇综述薛春燕审校

医学研究生学报 2022年1期

沈嘉薇综述，薛春燕审校

0 引言

先天性白内障是儿童时期致盲的最主要原因之一，全球每10名失明儿童中就有1名是因先天性白内障致盲，在2020年世界卫生组织提出的全球范围内降低可防范的致盲疾病发病率计划中，先天性白内障依然是导致儿童视力缺陷的重要原因并且为重点攻克对象[1]。先天性白内障存在多种遗传方式，包括常染色体显性或隐性遗传，伴X性染色体显性或隐性遗传，而其中主要以常染色体显性遗传为主。目前，已发现的先天性白内障致病基因主要包括晶状体蛋白基因、细胞骨架相关蛋白基因、转录调节因子基因、膜蛋白基因以及其他未知的基因及突变位点[2-3]。在本文中，我们将总结已知的先天性白内障致病突变基因位点，为先天性白内障的基因诊断和基因治疗提供思路。

1 晶状体蛋白编码基因

晶状体蛋白编码基因是在目前已知导致先天性白内障的缺陷基因中最常见的一类。在先天性白内障患者中，现已发现超过300多种不同的晶状体蛋白基因突变类型[4]。晶状体蛋白是一种在晶状体中含量丰富的可溶解性蛋白，根据结构的不同可分为三类：晶状体蛋白α、晶状体蛋白β和晶状体蛋白γ。

晶状体蛋白α主要有两种组成成分，晶状体蛋白αA(human alpha A crystallin, CRYAA)及晶状体蛋白αB(human alpha B crystallin, CRYAB)，两者在晶状体中分布的比例约为1∶3。这两种蛋白均隶属于热休克蛋白家族，分别由两种不同的基因编码，即CRYAA基因和CRYAB基因[5]。CRYAA主要在晶状体中表达，但同时也存在于角膜和视网膜中。与CRYAA不同，CRYAB除在晶状体中表达丰富以外，还广泛分布于心脏、肌肉、脑和肾脏等其他器官[6]。因此，CRYAB基因突变可引起除白内障外全身多个重要组织器官功能发生改变。

随着对先天性白内障的关注度增加，更多白内障致病基因突变类型在晶状体蛋白β和晶状体蛋白γ中发现[4]。与在晶状体中广泛分布的晶状体蛋白α不同，晶状体蛋白β和γ是位于晶状体核心的主要结构蛋白，不属于热休克蛋白家族。它们特定的折叠方式对于晶状体核心区域透明度的维持有着关键作用。晶状体蛋白β依据蛋白等电点的不同，又分为酸性蛋白(βA1、βA3、βA4)和碱性蛋白(βB1、βB2、βB3)两类[7]。晶状体蛋白γ是一种结构简单的小分子量蛋白，γD和γC亚型在晶状体发育过程中主要在核心区域表达，而γS亚型主要出现在晶状体皮质中[7]。

在晶状体中，晶状体蛋白占所有可溶解蛋白的90%以上，其溶解度和对光线的折射率极大程度上影响着人的视力水平。晶状体蛋白的构型是决定其水溶性和光线折射率的主要因素，多种内外部因素可影响晶状体蛋白的构型。作为光线折射的主要介质之一，晶状体经常接受紫外线辐射和强光照射，晶状体γ蛋白的基因改变使晶状体蛋白对于紫外线辐射的耐受力降低，更易导致晶状体蛋白的错误折叠和积聚[8]。晶状体蛋白在晶状体中分为可溶和不可溶两类，可溶性晶状体蛋白在白内障患者的晶状体中的比例下降，而不溶性晶状体蛋白比例会增加[9]。目前更多认为，晶状体蛋白主要是因为其溶解度大小的变化影响晶状体透明度。

2 Ⅳ型胶原蛋白基因α1(type Ⅳ collagen alpha1,COL4A1)

COL4A1编码晶状体中Ⅳ型胶原的α1链，而Ⅳ型胶原纤维分布于几乎所有细胞外基质的基底膜上。因此，COL4A1突变可引发包括白内障在内的全身多系统疾病，主要包括小血管病变引发的脑出血，脑白质病变，肾小球病变及视网膜血管迂曲等。曾有报道指出在早期出现白内障或患有先天性白内障疾病的患者中发现存在COLA1基因的突变，但更多患者则同时伴有血管病变导致的多器官疾病[10]。亦发现存在COL4A1突变单发常染色体显性遗传的白内障家族，家系中的患者除白内障外，并无其他伴随疾病[11]。相较于白内障，COL4A1突变引发的全身小血管病变对于患者的生存率更为重要。

3 细胞骨架相关蛋白编码基因

串珠状纤维结构蛋白(beaded filament structural protein，BFSP)是晶状体中特有的一种蛋白，属于中间丝蛋白家族(intermediate filament family, IFF)。串珠状纤维在维持晶状体纤维细胞形态方面有重要意义，对晶状体透明度的维持具有一定影响。串珠状纤维结构蛋白1(beaded filament structural protein-1，BFSP1)和串珠状纤维结构蛋白2(beaded filament structural protein-2，BFSP2)是珠状结构细丝蛋白的主要成分，主要分布于已分化的晶状体纤维细胞。BFSP1及BFSP2基因的点突变均已在常染色体显性遗传的白内障家族中被发现[12-13]。

3.1 BFSP1在BFSP2高度表达的小鼠晶状体中，BFSP1的缺失表达还是会导致晶状体纤维细胞中的BFSP的缺失[14]，这提示了BFSP1的不可替代性。在少数因BFSP1突变导致白内障的家族中，患者出生时眼部通常具有透明健康的晶状体，但随着年龄的增加，晶状体的混浊现象较其他同龄人常提前显现，并在儿童以及青少年时期呈现明显的白内障临床表征。但有部分患者50岁左右才会出现明显的晶状体混浊的临床表征[12]。BFSP1突变增加了患者晶状体混浊的易感性，使患者的晶状体更易随着年龄的增加提前产生混浊现象。BFSP1可以影响水通道蛋白0(aquaporin，AQP0)对钙离子的敏感性，调节AQP0对水的渗透性[15]。人晶状体中约65%是水，晶状体的透明度与其内部水溶性蛋白的含量和溶解度有关，因此，晶状体含水量的多少亦可对晶状体的透明度产生影响。

3.2 BFSP2与BFSP1类似，BFSP2突变的小鼠中也呈现出伴随时间延长逐渐加重的白内障表型。BFSP2缺失的小鼠晶状体纤维细胞并未呈现出细胞形态和排列方式的改变，并且小鼠的晶状体也未立即出现明显混浊，而是随着时间的推移逐渐显现[16-17]。然而，BFSP2的缺失，却引起了BFSP1编码蛋白的水平明显下降，提示BFSP2可能通过调节BFSP1的表达水平进而调控晶状体透明度[16]。在BFSP2突变的家系中，Y字缝型白内障表型可能为BFSP2突变型白内障的早期特征表现[18]。

4 转录调节因子基因

4.1 垂体同源盒家族因子3(paired-like homeodomain transcription factor 3，PITX3)PITX3是垂体同源盒基因家族的成员之一。在小鼠胚胎发育过程中，PITX3 RNA在小鼠的晶状体板和晶状体泡中大量表达，并贯穿晶状体发育全过程。除此以外，PITX3转运因子在人神经系统也有表达，可调节神经胶质细胞的神经营养因子转录，PITX3-/-小鼠模型已作为帕金森的动物模型投入研究中[19]。PITX3突变在人群中可引起多种先天性白内障表型，包括全白内障、核性白内障、后极性白内障、前极性白内障等。在家族中常染色体显性遗传方式已有报道[20]。至今，已有9种PITX3基因突变方式被发现在人群中与不同的白内障类型有关。其中，PITX3突变导致的较为常见的白内障临床类型为后极性白内障[21]，后极性白内障主要在晶状体后囊中央区域发生局限性混浊，由于混浊常位于视轴上，因而对于患者视力有显著影响。PITX3作为晶状体发育过程中一个重要基因，其下游的靶向基因目前认为包括主要内源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)、叉头框E3(forkhead box E3，FOXE3)等。在小鼠中，PITX3基因短缺会导致这三种转录因子在晶状体中表达受到影响[22]。PITX3基因短缺在小鼠中会导致晶状体蛋白的表达下降，从而影响小鼠晶状体的发育甚至导致小鼠晶状体完全缺失而呈现小眼表型[22]。

4.2 FOXE3基因FOXE3基因在哺乳类动物中高度保守，虽然大多数FOXE3突变患者为隐性携带者，但FOXE3基因在晶状体中广泛表达，与眼前部的发育不全和白内障表型密切相关。FOXE3突变患者可出现晶状体缺失、小眼、角巩膜硬化等临床表现[23]。在斑马鱼突变模型中，FOXE3基因功能丧失可影响多种晶状体蛋白基因的表达水平，大部分晶状体蛋白的表达量呈现上升趋势，加快了晶状体纤维细胞的分化和凋亡速度，致使斑马鱼晶状体发育不全，甚至缺失，因而与野生型斑马鱼相比，常呈现小眼表型[24]。

4.3 人配对盒基因6(paired box gene 6，PAX6)PAX6的功能最早在小眼畸形的患者中发现。PAX6与眼部多种组织发育及功能异常有关，在人眼部可引起先天性虹膜缺失、青光眼、视网膜黄斑发育不全、先天性白内障等诸多疾病[25]。在先天性白内障患者中，婴幼儿时期较多表现为晶状体前囊或后囊的局部混浊，在青年晚期则更多表现为进行性明显加重的白内障。此外，晶状体混浊常伴有其他眼部组织的功能不全。PAX6在晶状体中主要调节晶状体蛋白基因，控制晶状体蛋白的合成分化。PAX6在晶状体中呈现不同的亚型，具有不同的稳定性，PAX6表达上调可导致晶状体纤维细胞凋亡增加，使晶状体趋于混浊，PAX6在正常晶状体中会随着年龄增加而表达下降，而在老年型白内障的晶状体中表达量则更加稳定[26]。

5 膜蛋白基因

5.1 主要内源性蛋白基因在我国，主要内源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)突变导致的白内障家系中，患者以核性白内障的表型居多，并且，常染色体显性遗传为主要遗传方式。患者常在婴幼儿时期就表现出晶状体的形状、大小和核密度的异常[27]。MIP基因编码的MIP蛋白又称为水通道蛋白0，占晶状体膜蛋白总量的60%以上，被认为是晶状体纤维细胞的特定标志物[28]。与缝隙连接蛋白不同，MIP在晶状体纤维细胞膜中形成的小分子通道主要影响水的通透性，几乎所有其他离子和小分子物质均不通过MIP进入晶状体纤维细胞。作为一种水通道蛋白，相对于其他亚型，MIP对水的通透性较低，不到水通道蛋白1(aquiporin1，AQP1)的10%[29]。钙离子调节蛋白可根据细胞内钙离子浓度，调节MIP四聚体中各部分的连接紧密度，改变通道大小，影响水在晶状体纤维细胞内外的流动性[30]。在MIP完全缺失的小鼠晶状体中，晶状体上皮细胞的膜对水的透过性增大，离子和水在细胞膜之间的交换失衡，引起晶状体水调节失控，导致晶状体的混浊。此外，相较于野生型小鼠，MIP完全缺失的小鼠晶状体纤维细胞中细胞核数量大幅增加，蛋白水解酶的水解程度明显上调，晶状体纤维细胞的降解增强，晶状体呈现混浊表型[31]。

5.2 缝隙连接蛋白基因缝隙连接蛋白家族中仅有亚型43，46和50表达于人晶状体中，其中缝隙连接蛋白46(connexin 46, CX46)表达于成熟晶状体纤维细胞，而缝隙连接蛋白43(connexin 43，CX43)分布在晶状体上皮细胞膜上，缝隙连接蛋白50(connexin 50, CX50)在晶状体中的所有细胞均有分布。在由缝隙连接蛋白基因突变导致的白内障家系中，粉尘状白内障和核性白内障较为常见[32]。在老年性白内障中，缝隙连接蛋白的表达也会下降，这提示缝隙连接蛋白表达状态可以影响晶状体混浊度[33]。

缝隙连接蛋白不仅决定着晶状体纤维细胞之间的紧密连接状态，更重要的是，在晶状体各细胞之间起着信息交流通道的作用。缝隙连接蛋白家族可以单一蛋白亚型或两种以上蛋白亚型混合组合的形式构成细胞间的连接通道，但并非所有缝隙连接蛋白亚型均可两两组合，这受限于蛋白亚型的不同结构，如CX46与CX43就不能共同形成细胞间通道[34]。各类离子、气体以及大分子营养物质，包括葡萄糖等均可以通过缝隙连接蛋白构成的细胞通道，在晶状体细胞之间传递信息，输送营养物质，排泄代谢产物。房水中的物质从晶状体前后极部进入晶状体，从晶状体的赤道部离开晶状体。不同缝隙蛋白亚型对不同物质的通透性并不相同。相较于CX43，CX50对第二信使之一的IP30的透过性明显降低，而对于钙离子的透过性则较高[35]。在CX46缺失导致的核性白内障中，组织切片提示晶状体中央区域有大量钙离子沉积，且越靠近晶状体中央部分的晶状体纤维细胞，细胞内的钙离子的负荷越重[36]。由此可推测，缝隙连接蛋白基因缺失导致的缝隙连接蛋白表达下降，可降低钙离子在晶状体内循环次数，钙离子在晶状体内部沉积，引发白内障的发生。

与CX46和CX43不同，CX50作为晶状体中表达最多的一类缝隙连接蛋白，CX50的缺失不仅会导致白内障，更常见的情况是引发眼部发育畸形。但有趣的是，如果将CX46基因替换CX50基因，在小鼠身上只会引起眼部畸形的发生，而白内障的表型并未出现[37]。这提示每种缝隙连接蛋白亚型在维持晶状体透明度上的贡献程度并不相同。CX50的表达降低与小眼的表型有着密切的关系，然而，CX50在小鼠晶状体纤维细胞上的过表达依然会导致纤维细胞分化迟缓、晶状体体积变小和白内障[38]。

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

UNC45B不仅在人体的心脏组织和骨骼肌中大量表达，在人与斑马鱼的晶状体中也广泛存在，并且在晶状体中的含量也会伴随胚胎发育发生变化[39]。在UNC45B突变的斑马鱼晶状体中，大量细胞核和纤维在晶状体的中央区域聚集，并且发生突变的斑马鱼较野生型相比呈现出小眼表型[39]。在斑马鱼眼部组织中，UNC45B不仅在晶状体纤维细胞中表达，也在周围其他组织中富集，例如视网膜的神经节细胞层[39]。UNC45B常与HSP90协同作用，引起非肌性肌球蛋白(non-muscle myosin，NMM)的聚集[40]。研究提示NMM在小鼠胚胎晶状体上皮细胞的分化和延伸过程中具有重要的介导作用[41]。因此，UNC45B对于晶状体透明度的维持亦有重要作用。在临床中，已发现UNC45B突变的常染色体显性遗传的青年白内障家系，发病年龄平均约为17岁[39]。