陳 超，李 雪，張 莉，鐘子琳，陳建軍，

（1.同濟大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系，上海 200092；2.贛南醫(yī)學(xué)院心腦血管疾病防治教育部重點實驗室，江西 贛州 341000）

據(jù)估計，每10萬名兒童中約有72人患有先天性白內(nèi)障，估計值從12~136人不等，且在發(fā)展中國家普遍較高［1-2］。遺傳性白內(nèi)障通常占先天性白內(nèi)障的8.3%到25%之間［3］。先天性白內(nèi)障可作為孤立缺陷發(fā)生，或與其他前房發(fā)育異常（如小眼癥和無虹膜癥）相關(guān)。晶狀體混濁也可能是多系統(tǒng)遺傳疾病的一部分，例如染色體異常、Lowe綜合征以及Nance Horan綜合征。作為人類第一種被定位的常染色體疾病，先天性白內(nèi)障被證明與表型異質(zhì)性有關(guān)［4-5］。大多數(shù)遺傳性白內(nèi)障是常染色體顯性遺傳，具有完整的外顯率，常染色體隱性遺傳和X連鎖遺傳模式則較為少見［6］。本文將對最新的先天性遺傳性白內(nèi)障遺傳學(xué)研究進行綜述。

1 晶狀體的功能和發(fā)育

白內(nèi)障的關(guān)鍵病理學(xué)基礎(chǔ)為晶狀體混濁（不透明性）［7］，晶狀體的透明度主要取決于晶狀體細胞的有序排列及其蛋白質(zhì)成分的緊密堆積［8］。晶狀體微結(jié)構(gòu)的破壞，包括細胞紊亂和液泡形成，會引起光密度的大幅波動，從而導(dǎo)致光散射，引發(fā)白內(nèi)障。高濃度或大分子量的蛋白聚合物也可能導(dǎo)致晶狀體混濁。由于晶體蛋白占可溶性晶狀體蛋白的90%以上，因此它們在均勻相中的短程有序堆積對于維持晶狀體透明性十分重要。

人體胚胎發(fā)育到第22天（原腸胚形成期），在前神經(jīng)板的中央形成兩個視泡，并進一步誘導(dǎo)附近的表面外胚層形成晶狀體基板（晶狀體前體）［9-10］。視泡從表面外胚層分離后，晶狀體前囊中的細胞持續(xù)增殖并逐漸分化為前囊下上皮細胞，而后部的細胞變薄變長，分化成原發(fā)性晶狀體纖維，形成胚核［11］。新分化的纖維細胞終生繼續(xù)生長，并在終末分化過程中，去除細胞核和其他細胞器，以最大程度地保持透明度，減少光散射。胎兒發(fā)育過程中晶狀體細胞結(jié)構(gòu)異常、晶狀體蛋白質(zhì)突變或兩者組合的改變，均可能造成先天性白內(nèi)障。因此，遺傳突變是造成先天性白內(nèi)障的根本原因。

2 相關(guān)致病基因及編碼蛋白

目前，在已知致病基因編碼的蛋白中，大約一半為晶體蛋白，四分之一為膜相關(guān)蛋白，其余的則是細胞骨架蛋白和轉(zhuǎn)錄因子，以及細胞器降解相關(guān)蛋白［12］。

2.1 晶體蛋白晶體蛋白（α、β和γ）是晶狀體中最主要的可溶性蛋白。因此，對保持晶狀體的光學(xué)特征和功能至關(guān)重要。已有研究證實，當β-和γ-晶體蛋白遭到損害時會形成不可逆的聚集體，并被具有類伴侶蛋白活性的α-晶狀體蛋白結(jié)合，從而改變晶狀體構(gòu)型，引起白內(nèi)障［13］。

α-晶體蛋白包括兩個亞型，分別為由CRYAA和CRYAB編碼的αA-和αB-晶體蛋白。JIA Z K等［14］構(gòu)建了CRYAA（Y118D）突變小鼠模型，發(fā)現(xiàn)其晶狀體顯示出嚴重的后極破裂，異常的形態(tài)變化和晶體蛋白纖維異常排列。另一項研究鑒定發(fā)現(xiàn)CRYAB終止密碼子中的1個雜合p.X176Y突變。該突變導(dǎo)致其翻譯蛋白延長了19個氨基酸殘基，通過在二級結(jié)構(gòu)中形成新的α-螺旋和無規(guī)則卷曲，以及在三級結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生延伸鏈，可導(dǎo)致疏水性增加和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性降低［15］。截至目前，研究已發(fā)現(xiàn)有25個突變CRYAA和18個突變CRYAB引起先天性白內(nèi)障，占所有晶體蛋白突變的25.8%［16］。

β-和γ-晶體蛋白具有相同的結(jié)構(gòu)單元，同屬一個超蛋白家族，大多數(shù)β-、γ-晶體蛋白突變通過破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，最終導(dǎo)致變性。β-晶狀體蛋白由7個亞基組成，分為βA1、A3、βA2、βA4、βB1、βB2和βB3，一項涵蓋6個中國家庭的研究通過靶向外顯子組測序，揭示了4個β-晶體蛋白基因中的6個突變，其中包括5個錯義突變CRYBB1 p.Q70P，CRYBB2 p.E23Q，CRYBB2 p.A49V，CRYBB2 R188C，CRYBA4 p.M14K和1個剪接突變CRYBB3 c.75＋1 G＞A［17］。CRYBB3 c.75＋1 G＞A斷裂的剪接位點，導(dǎo)致終止密碼子前移并產(chǎn)生113個氨基酸的短肽，可能影響蛋白質(zhì)的功能。先天性白內(nèi)障突變主要在編碼γ-晶體蛋白的CRYGC、CRYGD和CYRGS基因中發(fā)現(xiàn)。FU C等［18］調(diào)查γC-晶狀體蛋白中L45P和Y46D突變，發(fā)現(xiàn)二者能夠通過改變第二個希臘關(guān)鍵基序中Trp殘基周圍的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使γC-晶狀體蛋白不穩(wěn)定。此外，一些研究者發(fā)現(xiàn)CRYGD的p.P23T突變增加了蛋白質(zhì)間的疏水相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。例如，p.R36S突變則引起蛋白質(zhì)在晶狀體內(nèi)結(jié)晶，而p.R14C突變使蛋白質(zhì)對硫醇介導(dǎo)的聚集敏感［19-21］；這說明晶體蛋白不需要在其蛋白質(zhì)折疊中經(jīng)歷變性或其他重大變化，僅改變表面特征，從而降低溶解性或增強蛋白質(zhì)的相互作用，析出形成沉淀，也可導(dǎo)致白內(nèi)障。

2.2 膜相關(guān)蛋白晶狀體上皮細胞在向纖維細胞轉(zhuǎn)變的過程中急劇伸長，這一過程需要快速合成大量的膜脂和蛋白，這些蛋白在晶狀體中保持適當?shù)臐B透壓和離子平衡，并在細胞間信號的傳遞中起重要作用［22］。因此，膜相關(guān)蛋白基因構(gòu)成了白內(nèi)障致病基因的很大一部分，包括主要內(nèi)在蛋白基因（MIP）、連接蛋白基因（GJA）、編碼內(nèi)在膜蛋白19（MP19）的LIM2基因和編碼蛋白酪氨酸激酶的ephrin受體亞家族成員的EPHA2基因等。

晶狀體主要內(nèi)在蛋白（MIP）也稱為水通道蛋白0（AQP0），是水透過細胞膜滲透的通道，在終末分化的晶狀體纖維中高度表達，幾乎為晶狀體總纖維細胞膜蛋白的一半，對維持晶狀體穩(wěn)態(tài)極為重要［23］。2018年，YUAN C等［24］通過篩選的全部患有白內(nèi)障的家庭四代人口，鑒定了位于MIP蛋白細胞內(nèi)環(huán)E中的p.P191R突變，推測該突變影響了MIP蛋白的運輸并降低了其表達水平。另外，研究人員在大熊貓MIP基因中發(fā)現(xiàn)了1個新的錯義突變（c.686G＞A），導(dǎo)致蛋白質(zhì)C末端尾巴中的天冬酰胺（p.S229N）取代絲氨酸，預(yù)測該突變會誘導(dǎo)構(gòu)象變化，從而干擾晶狀體通透性和細胞間相互作用［25］。

連接蛋白通過轉(zhuǎn)運小于1 KDa的小分子，包括cAMP、cGMP和鈣離子等，以維持晶狀體透明性和代謝平衡［26］；分為3個亞型Cx43、Cx46和Cx50，分別由基因GJA1、GJA3和GJA8編碼，GJA1主要在晶狀體上皮細胞中表達，GJA3主要在晶狀體成纖維細胞中表達［27］。迄今為止，已經(jīng)在GJA3中發(fā)現(xiàn)了55個雜合變異體和1個純合體變異體，在GJA8中發(fā)現(xiàn)了90個雜合變異體和1個純合體變異體［28］。有研究發(fā)現(xiàn)，在先天性白內(nèi)障家系的GJA3中有1個反復(fù)出現(xiàn)的雜合錯義突變c.T148C（p.S50P），引起了間隙連接失調(diào)［29］。

內(nèi)在膜蛋白19是一種晶狀體特異性細胞整合膜蛋白，參與細胞黏附和連接形成，充當鈣調(diào)蛋白的受體，并且可能在晶狀體發(fā)育和白內(nèi)障發(fā)生中起重要作用，編碼該蛋白的LIM2突變會導(dǎo)致核性白內(nèi)障。BERRY V等［30］在2個白內(nèi)障家系LIM2上發(fā)現(xiàn)的新型錯義突變c.388C＞T（p.R130C），會導(dǎo)致孤立的常染色體顯性先天性白內(nèi)障。

EPHA2編碼蛋白酪氨酸激酶受體亞家族的成員，研究表明EPHA2及其配體ephrin-A5（EFNA5）或ephrin-A1（EFNA1）在細胞遷移和晶狀體纖維排列中起著至關(guān)重要的作用［31-33］。目前，已發(fā)現(xiàn)22種致病性EPHA2突變。HARDING P等［33］檢測了白內(nèi)障家系EPHA2的2個突變c.1751C＞T（p.Pro584Leu）和c.2826-9G＞A，并觀察到EPHA2敲低斑馬魚晶狀體中N-鈣黏著蛋白和纖維細胞核的錯誤表達。

2.3 細胞骨架蛋白晶狀體纖維細胞形態(tài)的發(fā)育和穩(wěn)定由細胞骨架蛋白和細胞黏附分子之間的相互作用所支持，中間絲蛋白是晶狀體細胞骨架中最有彈性的成分，可能在調(diào)節(jié)細胞運動和遷移以及支持晶狀體纖維的結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用。BFSP1和BFSP2編碼的中間絲蛋白，與α-晶體蛋白結(jié)合形成念珠狀結(jié)構(gòu)，僅在晶狀體纖維細胞中存在，參與晶狀體的正常發(fā)育。這兩種基因的錯義或缺失突變往往會導(dǎo)致核型或核板層顯性白內(nèi)障，而移碼和無義突變會導(dǎo)致隱性皮質(zhì)性白內(nèi)障［34-35］。表膠質(zhì)蛋白是另一種細胞骨架蛋白，已在先天性白內(nèi)障患者中鑒定出其編碼基因PRX的突變［36］。

2.4 轉(zhuǎn)錄因子參與眼睛發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子基因的突變可能主要表型為白內(nèi)障。Pax6是一種在發(fā)育中的神經(jīng)系統(tǒng)和眼睛中表達的成對盒和同源盒結(jié)構(gòu)域蛋白，是眼發(fā)育中最早活躍的轉(zhuǎn)錄因子之一。大多數(shù)PAX6基因突變會導(dǎo)致全身性眼睛發(fā)育缺陷，如無眼球、無虹膜；然而，一種僅影響C末端脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸富含結(jié)構(gòu)域的輕微突變與板層白內(nèi)障有關(guān)［37］。HSF4調(diào)控熱休克轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄，包括晶狀體αB-晶體蛋白，常染色體顯性白內(nèi)障的HSF4突變位于α-螺旋DNA結(jié)合域內(nèi)，而常染色體隱性白內(nèi)障的HSF4突變位于這個功能保守區(qū)域之外［38］。MAF編碼1個bZIP轉(zhuǎn)錄因子，它與位于靶基因（比如CRY和MIP）啟動子區(qū)域的MAF反應(yīng)元件結(jié)合，具有不同的反式激活特性。MAF突變位于保守的DNA結(jié)合區(qū)，是常染色體顯性遺傳白內(nèi)障的基礎(chǔ)，疾病的嚴重程度與幾個β/γ晶體蛋白基因的差異反式激活相關(guān)［39］。其他轉(zhuǎn)錄因子（包括FOXE3、EYA1、PITX3和NHS等）的突變也會引起白內(nèi)障，這些突變也可能與更廣泛的缺陷有關(guān)，包括小角膜、虹膜缺損、小眼炎和角膜缺損等［40-42］。

2.5 細胞器降解相關(guān)蛋白晶狀體的發(fā)育一是需要晶狀體上皮細胞正常分化，二是需要程序性消除多余或失活細胞器，這兩個過程都需要高水平的蛋白質(zhì)降解。FYCO1是一種在自噬囊泡微管運輸中活躍的支架蛋白，其結(jié)構(gòu)域包括α螺旋RUN域，4個長卷曲螺旋區(qū)域，1個FYVE鋅指結(jié)構(gòu)域，LC3-相互作用區(qū)（LIR）和高爾基體動力學(xué)（GOLD）結(jié)構(gòu)域［43-44］。2011年，CHEN J和他的同事在常染色體隱性白內(nèi)障家族性病例中，首次鑒定出了位于3p染色體上與CATC2基因座重疊區(qū)域的9個FYCO1突變［45］。隨后，他們又報道了巴基斯坦家庭中2個FYCO1純合突變（c.2345delA；p.Gln782ArgfsTer32和c.3151-2A＞C；p.Ala1051AspfsTer27）［46］。此外，在其他4個常染色體隱性遺傳性先天性白內(nèi)障巴基斯坦家系中，37.1%的人群檢測到基因突變，其中FYCO1基因突變占14%，可以說該基因突變較為常見。近年來，又有研究報告了中國、俄羅斯和印度的家族性和散發(fā)性病例的FYCO1突變［47-49］。迄今為止，總共在FYCO1中發(fā)現(xiàn)了19個突變，其中FYCO1的卷曲螺旋區(qū)域中有11個突變；突變引起發(fā)育中的晶狀體FYCO1表達下調(diào)，可抑制自噬小體向溶酶體的轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致LC3+囊泡運輸受阻，形成累積并影響晶狀體透明度，最終形成白內(nèi)障［50］。

另外，有文章報道m(xù)TOR蛋白復(fù)合體1（mTORC1）的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子（RRAGA）中的突變與常染色體顯性白內(nèi)障相關(guān)，可能途徑為RRAGA向溶酶體的重新定位增加，mTORC1磷酸化上調(diào)，自噬下調(diào)，細胞生長改變或啟動子活性受損［51］。上述研究提示自噬囊泡在發(fā)育中的晶狀體纖維細胞的細胞器降解中十分關(guān)鍵，這與自噬在保持晶狀體透明性的重要作用一致［52］。

3 先天性白內(nèi)障發(fā)生機制

綜上所述，先天性白內(nèi)障往往是由基因突變引起的，這些基因所編碼蛋白的結(jié)構(gòu)和功能會產(chǎn)生嚴重缺陷。對于轉(zhuǎn)錄因子來說，這可能意味著在晶狀體發(fā)育的臨界點缺乏轉(zhuǎn)錄激活因子，導(dǎo)致適當?shù)木铙w結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)成分失效；對于膜和通道蛋白來說，這也許意味著離子或溶質(zhì)運輸減弱甚至阻斷；對于晶體蛋白來說，這通常意味著蛋白質(zhì)折疊的嚴重破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的快速變性，伴隨而來晶狀體細胞質(zhì)可溶性相的沉淀。突變蛋白發(fā)揮這些作用的一種可能機制是誘導(dǎo)非折疊蛋白反應(yīng)（UPR），并最終導(dǎo)致晶狀體細胞凋亡或自噬減少。UPR由一組進化上保守的適應(yīng)性細胞內(nèi)信號通路組成，這些信號通路用于減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ER應(yīng)激），當大量變性、錯誤折疊或未折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)積累時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激就會發(fā)生。

在生理條件下，70 kDa的熱休克蛋白5（HSPA5，也稱作Bip或GRP78）與ER-IRE1、ATF6和EIF2AK3這3個主要感受器結(jié)合，使它們處于非激活狀態(tài)。當大量未折疊蛋白存在時，HSPA5從這3個感受器上解離，激活它們并啟動UPR［53］。IRE1α介導(dǎo)的UPR通過上調(diào)ATG7的表達以及從Bcl-2釋放Beclin-1分子促進自噬的發(fā)生，亦可通過XBP1分子對自噬起負調(diào)控作用［54-55］；ATF6介導(dǎo)的UPR可通過上調(diào)LC3的表達，釋放Beclin-1分子以及抑制mTOR活性激活自噬［56-57］；EIF2AK3介導(dǎo)的UPR可通過上調(diào)自噬相關(guān)基因LC3、ATG5、ATG12等的表達，促進LC3的酯化以及抑制mTOR活性促進自噬發(fā)生［58］。自噬可加快胚胎期晶狀體錯誤折疊蛋白的降解，降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平，恢復(fù)細胞穩(wěn)態(tài)，保護晶狀體發(fā)育［59］。面對嚴重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，UPR內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，此時自噬受到抑制，并且通過內(nèi)源性途徑和線粒體介導(dǎo)途徑以及EIF2AK3對基因表達的調(diào)控來誘導(dǎo)細胞凋亡［60］。這種反應(yīng)需要ATF6激活特定的基因轉(zhuǎn)錄，包括誘導(dǎo)XBP1和IRE1，致使XBP1裂解并激活誘導(dǎo)一系列下游介質(zhì)的轉(zhuǎn)錄，如P58和DNA損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄物3（DDIT3）［61-62］。當這些下游介質(zhì)被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活時，抑制許多基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進凋亡，導(dǎo)致許多類型的先天性白內(nèi)障中晶狀體組織學(xué)的病理表現(xiàn)。

越來越多的證據(jù)表明，UPR和細胞凋亡及自噬在先天性白內(nèi)障中都有潛在的作用，特別是在晶狀體上皮細胞，它比纖維細胞具有更高的代謝活性。據(jù)報道，自噬抑制作用減弱了TGF-β2誘導(dǎo)的晶狀體上皮細胞上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，引起晶狀體混濁［63］。而在另一項研究中，PINGX等［64］用自噬激活劑——雷帕霉素，減輕了由GJA8b敲除引起的白內(nèi)障。在白內(nèi)障動物模型中，半乳糖血癥大鼠的晶狀體上皮細胞和培養(yǎng)的去糖轉(zhuǎn)化的晶狀體上皮細胞中，均發(fā)現(xiàn)了UPR的早期發(fā)生［65］。半乳糖性白內(nèi)障的組織學(xué)特征與P.C42Afs*63突變體CRYGC轉(zhuǎn)基因小鼠白內(nèi)障相似，伴有空泡化和細胞死亡［66］。更為直接的證據(jù)是，凋亡和UPR元件與敲除p.Arg49Cys CRYAA的小鼠和表達p.Ser50Pro及p.Gly22Arg GJA8突變的小鼠的白內(nèi)障有關(guān)，盡管后者只輕度誘導(dǎo)了UPR［67-68］。此外，上述CRYAA突變小鼠在UPR標記物XBP1上調(diào)的同時，p62蛋白水平特異性下降，這表明突變體晶狀體中的自噬被抑制。

4 總結(jié)與展望

隨著近年來測序技術(shù)和分子生物學(xué)研究的發(fā)展，更多的基因和信號通路被證明與晶狀體發(fā)育和先天性白內(nèi)障有關(guān)，從而擴大了遺傳性白內(nèi)障和遺傳性眼病的遺傳譜。這些研究對晶狀體生物學(xué)提供了新的見解，為先天性白內(nèi)障患者提供產(chǎn)前診斷指導(dǎo)和遺傳咨詢的實驗依據(jù)；鑒定白內(nèi)障的高風(fēng)險遺傳變異至關(guān)重要，這是預(yù)防白內(nèi)障的根本策略，從而減輕家庭的疾病負擔。不遠的將來，當基因治療進入臨床實際應(yīng)用階段，這些前期工作將可能轉(zhuǎn)化為強大的生產(chǎn)力——提供個性化精準化的治療靶點，造福廣大患者，并帶來重大的社會價值和極為可觀的經(jīng)濟效益。