钙黏蛋白23与耳聋相关性的研究进展

冯 帅, 杨丽辉, 李伟光, 王智翔, 惠 莲

(1. 中国医科大学附属第一医院 耳鼻咽喉科, 辽宁 沈阳, 110000;2. 辽宁省人民医院 耳鼻咽喉科, 辽宁 沈阳, 110000)

耳聋是常见的致残病因。内耳功能障碍是引起耳聋的常见原因，随着科技的不断进步发展，学者们从生物形态、蛋白表达、基因调控、电生理等各个方面对内耳的形态和功能做了大量的研究。其中，钙黏蛋白23作为组成内耳结构的重要因子之一，越来越受重视。本研究对钙黏蛋白23的分子结构、生理功能以及临床应用的相关研究进展进行综述，旨在为耳聋早期临床基因诊断研究提供新的方向。

1 钙黏蛋白23的结构和功能

钙黏蛋白23定位在内耳和视网膜上，其主要功能是保持细胞之间的紧密连接。钙黏蛋白23是钙黏蛋白家族的成员之一，具有细胞黏附作用是其典型特点[1]。钙黏蛋白是介导细胞间通讯的一种跨膜钙依赖蛋白，其作为细胞骨架的成份之一，在细胞黏附、细胞分选和细胞迁移等细胞基本发展过程中起到关键作用[2]。

钙黏蛋白23由3 354个氨基酸组成，在感觉神经上皮中表达，具有1个跨膜结构域。此外钙黏蛋白23在胞外区具有27个特异性重复序列，每个序列大约由100个氨基酸组成，是钙的特异性结合位点，并由此将信号传递给胞内区，以调控胞内的离子浓度。编码钙黏蛋白23的基因是Cdh23基因，定位于第10号染色体上，具体范围出现在10q2l～22的72826696与73245658之间[3-4], Cdh23基因座由2个5′端非编码外显子和69个编码外显子组成，包含1 065个核苷酸。其氨基酸序列比对和二级结构预测表明其胞外结构域与经典的钙黏蛋白一致[1]。

内耳毛细胞是机械能传感器，可将声波和头部运动产生的机械能量转化为电化学信号，从而产生听觉和平衡感。毛细胞的顶部具有纤毛束，机电转导发生在纤毛顶端附近，纤毛的顶端连接被认为是机电转导的通道。钙黏蛋白23与原钙黏蛋白15相连成丝状结构并组成顶端连接的重要成分[5], 同时钙黏蛋白23通过肌动蛋白harmonin将其锚定在纤毛微丝上[6], 并与肌球蛋白VIIA和Sans一起形成蛋白网络进行功能活动[7]。钙黏蛋白23能够维持毛细胞纤毛的结构和功能，使声波在内耳转导过程中的机-电转换正常进行[8-9]。此外，动物实验[10-11]显示钙黏蛋白23主要表达于内耳毛细胞纤毛及前庭膜，其主要作用是维持静纤毛的正常结构及内淋巴的离子组成。钙黏蛋白23生成障碍可导致静纤毛的束状结构缺失，引起感音神经性耳聋和前庭功能障碍。

2 钙黏蛋白23与内耳的发育

钙黏蛋白23在内耳胚胎发育和器官发育过程中起重要作用。研究[12]表明钙黏蛋白23最初在胚胎发育第14.5天的毛细胞中心体表达。之后钙黏蛋白23随着内耳的发育，首先表达在静纤毛的全长，然后在静纤毛顶部聚集，并逐渐消失。此外钙黏蛋白23也存在于动纤毛和前庭膜上。研究[13]发现，在母体妊娠晚期和产后早期, 钙黏蛋白23在胎儿耳蜗发育过程中定位于毛细胞的纤毛。随着纤毛束发育成熟，其表达变得越来越弱，但在生产后35 d仍然可以检测到聚集在静纤毛顶部的微弱标记。Cdh23基因在出生后第1天和第7天高度表达，而在第14天和第21天表达下降，并在整个成年期持续处于低表达水平状态。在钙黏蛋白23缺失的情况下，研究[14]发现胚胎发育第18.5天时, Cdh23(v)纯合子小鼠的外毛细胞呈不成熟状态，其可识别的纤毛束比杂合子小鼠少，到出生后第4天，其纤毛不以常见的“v”型排列，而是排列紊乱，并且内毛细胞的静纤毛也呈无组织的形态。研究[15]证实钙黏蛋白23在哺乳动物内耳发育过程中，对毛细胞早期分化起到重要调节作用。研究[8]发现，钙黏蛋白23缺失可影响早期毛细胞分化，以及引发静纤毛形成障碍，使小鼠表现为听力损失和前庭功能不良。由此可见, 钙黏蛋白23对毛细胞纤毛束的发育成熟具有至关重要的作用。

3 Cdh23基因突变

Cdh23基因存在不同的突变形式，从而出现耳聋、平衡障碍以及视觉症状等表型，并且在病变的严重程度、病损类型以及发病年龄上表现各不相同。Cdh23基因的单核苷酸位点的改变与多种综合征性耳聋和非综合征性耳聋有关，这些突变位点有的使氨基酸序列发生改变，进而影响蛋白的结构和功能，也有一部分是由于DNA片断在转录和翻译过程中的插入和缺失，进而产生无功能的基因产物[15]。Cdh23基因的错义突变、框移突变、无义突变及错位突变可导致常染色体隐性遗传性耳聋DFNB12、伴有视网膜色素变性和前庭功能障碍的Usher综合征，其中导致非综合征性耳聋以错义突变为主[3, 16]。Cdh23基因错误表达或减少都可使毛细胞的静纤毛束无法达到最大强度，进而更易受到老龄化影响和噪音的损伤[17]。

人类的Cdh23基因的长度、外显子和位点与鼠类非常相似，该基因与鼠类同源性达90%以上。Cdh23基因序列在生物进化上呈高度保守，因此通过对鼠Cdh23基因的研究可基本明确人类该基因的定位和功能。对存在耳聋伴前庭功能障碍的walzter鼠6个等位基因的核苷酸序列进行分析，结果[1]表明其功能性突变与耳聋表型之间存在紧密联系。此外，含有外显子68剪接的Cdh23转录本是耳蜗Corti器中主要表达的亚型，携带Cdh23(753A)等位基因的近交系小鼠易患感音神经性耳聋[12]。

4 钙黏蛋白23与噪声性听力损失

噪声性听力损失(NIHL)是由于受到噪声刺激而导致的感音神经性聋[18]。 NIHL是一种遗传和环境因素相互作用的复杂疾病，其机制可能是噪声刺激诱发耳蜗毛细胞、内毛细胞突触及螺旋神经节细胞的病变和死亡，进而引发的感音性听损。近年来，研究[19]表明NIHL具有遗传易感性，群体暴露于噪声环境下，其中一部分会出现听力损失，并且出现此症状的病例在严重程度上也有所不同。Cdh23是引起听力障碍并与NIHL易感性有关的基因[20]。在将声音的机械性能量转化成电信号处理的过程中，盖膜运动使静纤毛发生相应倾斜而使毛细胞胞膜的离子通道开放，进而引发突触活动释放神经递质。钙黏蛋白23表达在静纤毛上，其对维持静纤毛的形态和功能完整性至关重要，剧烈声强可损伤内耳毛细胞上不稳定的静纤毛，因此这种病理学上的损伤可能是NIHL发生的基础之一。动物实验表明，携带Cdh23基因突变型小鼠NIHL的发生率更高，其静纤毛的形态也发生了改变。研究[20]发现，携带Cdh23基因突变成年小鼠接受噪声暴露后，在12 kHz和30 kHz频率测试下，复合动作电位(CAP)阈值提高了约50 dB, 超过野生型小鼠的2倍，表明Cdh23基因突变小鼠存在噪声性聋的易感性。KOWALSKI TJ等[21]对比了噪声工作环境中听力损失较重人群和听力较好人群，发现rs3752752CC基因型与噪声性耳聋的易感性相关。YANG M等[22]对噪声暴露下作业的工人进行检测，发现Cdh23基因多态性与NIHL密切相关，携带rs3802721TT基因型、rsl227049CC基因型和第7外显子末位单核苷酸位点GG基因型的个体对NIHL的易感性更高。

5 钙黏蛋白23与年龄相关性听力损失

年龄相关性听力损失，又称为老年性聋(ARHL)。ARHL患者表现为随年龄增长，高频听力为起始的渐进性听力丧失。ARHL常发生于老年人，并对老年人的生活质量产生极大的影响。ARHL患者在发病年龄、听力下降程度、发展速度和对生活的影响等方面因人而异。研究[23]发现ARHL具有遗传性，同时也受环境因素的影响。近年来，许多学者在ARHL患者或小鼠的研究中，发现钙黏蛋白23与老年性聋相关。

很多近交系小鼠因为基因突变导致耳聋，且耳聋的发生与年龄增长有关，因此这类种系小鼠为人类ARHL的研究提供了动物模型[24]。1997年有研究[25]采用数量性状定位分析，在C57BL/6J小鼠10号染色体D10mit4和D10mit5间定位了与ARHL相关的基因座，并将其命名为ahl。随后有相关研究[26]又在10种纯合小鼠(A/J、BUB/BnJ、129P1/ReJ、BALB/c by J、C57BR/cdJ、NOD/LtJ、STOCK760、SKH2/J 和DBA/2J)中证明ahl 基因可导致ARHL。有研究[27]对CBA/Cal和C57BL/6J鼠10号染色体D10Ntra57和D10Ntra46间不同核苷酸序列进行扫描，发现了在Cdh23序列上发生改变，在外显子7上753核苷位置G-A发生转换(CDH23753G-A)。随后在50多种种系小鼠中，对其ahl区域进行检测，并对ARHL相关基因进行分析，结果显示CDH23753A是与ARHL相关的病理性等位基因。相关研究[28]通过对C57BL/6J小鼠进行听力测试发现，在其青年时期就出现了高频听力的下降，并且约10月龄出现低中频听力下降, 18月龄时低频听力几乎丧失。近年研究[29]表明，对C57BL/6J小鼠Cdh23ahl等位基因(c. 753A)进行基因编辑后，听力测试显示在其14个月之前都可以保持良好的听力水平，但在12月龄时出现了纤毛退化，其纤毛束表现出与老龄C57BL/6J小鼠相似的异常改变，提示Cdh23ahl基因编辑对C57BL/6J小鼠的ARHL起到抑制作用但并不完全。

6 Cdh23基因检测的临床应用

新一代测序技术(NGS)的发展，使得高通量基因测序在临床应用中变得可行，因此耳聋相关基因的诊断被逐步运用于临床[30]。患者进行耳聋基因检测，可获取相关遗传性信息，有助于耳聋原因的诊断与鉴别诊断，进而更好地确定耳聋治疗方案和促进康复治疗; 耳聋基因检测还可以提供关于耳聋及其相关症状的病程变化信息，从而促进耳聋的精准治疗; 此外，该技术可以减少患者不必要的医疗费用。

近年来，不断有Cdh23基因新的致病突变位点在临床研究中被检出。SCHULTZ JM等[31]在5名成年的同胞兄弟姐妹中发现常染色体隐性遗传的感音神经性耳聋，其中2名表现为高频耳聋，而另外3名表现为影响所有频率的重度耳聋。遗传评估表明在全部5名耳聋患者中均出现Cdh23基因纯合突变5663T-C, 而此突变导致氨基酸位置1888处丝氨酸取代苯丙氨酸。CHEN Y等[32]发现1个家系中, 2位同胞兄弟耳聋患者检出相同的Cdh23基因致病突变，该突变为c. 3280G>A和c. 6604G>A复合杂合突变。2名患者在出生时均通过了听力筛查，先证者在4岁时发病，其弟在10个月时发病，除耳聋外未发现其他系统疾病。先证者行右侧人工耳蜗植入手术，其弟行双侧助听器干预，随后对其言语能力进行评估，均进展良好。研究[33]发现1例Cdh23基因纯合突变患者，其父母都是该位点杂合突变。患者在11个月时行基因测试并诊断为先天性重度感音神经性聋, 13个月时接受了右侧人工耳蜗植入手术。随后对其随访至4岁，该患者表现出良好的语言识别能力并且未出现眼部症状。MENGHINI M等[34]检测了1例35岁白人女性，先天性耳聋，前庭功能障碍，双眼视力障碍。该患者眼底检查发现典型视网膜色素变性，通过基因检测发现Cdh23基因纯合突变c. 9319+1G>T, 诊断符合Usher综合征Ⅰ型。c. 9319+1G>T变异体可能会影响外显子65/内含子65边界的剪接，极有可能导致外显子65完全跳过，造成蛋白结构异常。研究[35]发现1名12岁的日本女孩，该患者在新生儿期前庭功能障碍，直至3岁时才可行走; 5个月龄时被诊断为极重度耳聋，在2岁5个月行右侧人工耳蜗植入，但语言识别能力仍然较差; 12岁出现视网膜色素变性。Cdh23基因靶向测序显示存在复合杂合变异体: 1个为父系遗传的外显子3中的c. 130G>A, 另1个为母系遗传的内含子10中的c. 945+1G>T, 该患者被诊断为Usher综合征Ⅰ型。由此可见, Cdh23基因突变检测可为综合征和非综合征性耳聋提供明确的理论依据。

当前, 钙黏蛋白23逐渐成为耳聋病因研究的焦点，但目前钙黏蛋白23的作用机制仍是未解之谜，其相关致聋性的结构也未得到完整解析。期待钙黏蛋白23研究的深入，新的成果为耳聋防治工作提供更多助力。