先天性白内障相关晶状体蛋白基因突变的研究进展

海 玥，兰长骏，廖 萱

0引言

先天性白内障(congenital cataract)是儿童常见的致盲性眼病，其特征是出生时或出生后不久出现晶状体混浊，发病率为0.6/10000 至6/10000[1]，8%～25%的先天性白内障是由遗传因素引起的，具有显著的临床异质性和基因异质性[2]；因为分子机制的复杂性，所以编码晶状体蛋白的基因突变可能导致不同的表型，根据形态学可分为核型、片层型、皮质型、极型、壁型、脉状、珊瑚状等多种亚型[3]。先天性白内障可孤立发生，或伴发其他眼部综合征和发育缺陷，或表现为多系统遗传性综合征。遗传性先天性白内障大多数为单基因突变[1]，有常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传和性染色体连锁遗传三种遗传方式。其中常染色体显性遗传是最常见的形式，并且具有高度的外显率。迄今为止，遗传性先天性白内障突变筛查已鉴定出近200个基因位点和100多个致病基因[4]。

晶状体的发育依赖于基因与其产物在时间和空间上结合的协调作用。由于遗传物质突变导致晶状体蛋白结构功能异常，使晶状体透明度改变，即导致白内障的发生。大量研究证实，与先天性白内障相关的致病基因包括α、β、γ晶状体蛋白基因、膜蛋白基因、调节眼球发育的基因、细胞骨架蛋白基因等，其中，约一半的突变发生在晶状体蛋白基因中[5]。晶状体蛋白作为晶状体特有的蛋白质之一，占晶状体水溶性蛋白的比例高达90%，其特殊的空间排列顺序对于维持晶状体的透明性至关重要。晶状体蛋白基因的突变可能影响蛋白质的稳定性、溶解性和寡聚性，干扰晶状体的有序排列，导致晶状体混浊。现就先天性白内障相关的晶状体蛋白编码基因的突变综述如下。

1晶状体蛋白的结构功能

晶状体蛋白主要功能是作为晶状体纤维细胞的结构蛋白，通过亚基间的相互作用使其形成十分持久稳固的结构。由于其在晶状体内具有均匀浓度梯度，而使晶状体具有透明和折光的特性，因此晶状体蛋白的稳定性和紧密有序性对于晶状体透明度至关重要。晶状体蛋白存在于人的整个生存期中，虽在不同情况下表现的蛋白质组不同，但在合成后极少更新，几乎伴随终身。随年龄增长晶状体蛋白合成及降解必需的细胞器逐渐减少，其过程也受到环境因素，如吸烟、紫外线照射、抗氧化食物摄取量少、某些药物等的影响。晶状体蛋白可分为α家族和βγ家族，α、β、γ三种晶状体蛋白在晶状体发育过程中的分布是不均衡和分阶段的[6]。

α-晶状体蛋白属于小分子热休克蛋白家族成员，具有分子伴侣活性，在体外可识别及结合非折叠蛋白成分，在体内可以捕捉有凝集倾向的蛋白，使其保持再次折叠的构象，从而抑制蛋白凝集。无论在体外还是体内，α-晶状体蛋白均可以阻止细胞凋亡。在体外，α-晶状体蛋白还可以通过磷酸化发挥自身激酶的作用，保护多种酶免受失活。α-晶状体蛋白与一定数量β-晶状体蛋白、γ-晶状体蛋白结合，可以阻止光凝损伤和热损伤，并能够通过干扰和调节细胞骨架影响细胞结构。

β-晶状体和γ-晶状体同属于βγ-晶状体家族，结构具有很高相似性，可以折叠成两个相似的结构域。每个结构域由两个称为Greek的关键基序组成，是蛋白质中最稳定的结构，具有潜在的Ca2+结合特性[7]。β-晶状体蛋白可形成不同尺寸的聚集体，能够自结合形成二聚体或与其他β-晶状体形成异二聚体。

γ-晶状体蛋白作为晶状体蛋白家族中最小和最简单的成员，也是寿命最长的蛋白质之一。过去曾被广泛研究的βS-晶状体蛋白，鉴于与其他γ-晶状体蛋白更具相似性，现在被重新归类到γS-晶状体蛋白。γS-晶状体蛋白是后天合成的，在晶状体的发育过程中它们的相对比例随着α和β-晶状体蛋白的增加而降低[8]。γS-晶状体蛋白的基因突变与先天性白内障和发育性白内障均有关。γ-晶状体蛋白不仅是晶状体的结构蛋白，还参与晶状体细胞的发育、分化及维持透明度。

2晶状体蛋白的基因突变

2.1α-晶状体蛋白的基因突变α-晶状体蛋白是由αA与αB亚基组成的四聚体，在四聚体中αA和αB亚基的比例为3∶1，分别由21q22.3染色体上的CRYAA和11q22.3染色体上的CRYAB编码。αA主要在晶状体中表达，在其他组织中以很低的水平存在；但αB却存在于许多组织类型中，比如心肌，CRYAB突变引起的白内障往往伴发肌原纤维肌病和心肌病[9]；并且αA在晶状体发育过程中持续表达，而αB是应力诱导的。αA和αB都存在于晶状体上皮细胞中，在分化的纤维细胞中的水平显著升高。

迄今为止，CRYAA中的25个突变和CRYAB中的18个突变被发现与先天性白内障相关[10]。既往研究中相继报道了CRYAA基因突变时其编码蛋白分子伴侣样活性下降，而分子伴侣的功能即阻止其他晶状体蛋白的聚集，以保持晶状体的长期透明。一部分观点认为分子伴侣功能的丧失可能并不足以引起白内障，而突变蛋白本身的高度寡聚体化才是病因，而另一部分则认为即使分子伴侣功能正常，也不能阻止突变蛋白的聚集。α-晶状体蛋白含有一个保守的结构域，两侧由疏水的NH2端结构域或亲水的非结构化COOH端结构域组成。蛋白质结构分析表明，αA-晶状体蛋白的R116C(精氨酸→半胱氨酸)、R116H(精氨酸→组氨酸)、G98R(甘氨酸→精氨酸)，以及αB-晶状体蛋白上的R120G(精氨酸→甘氨酸)、D109H(天冬氨酸→组氨酸)、D140N(天冬氨酸→天冬酰胺)突变都发生在α-晶状体蛋白结构域的弓环和发夹环上，导致β折叠和二聚体畸形，从而影响蛋白质结构和功能[11]。此外，CRYAAp.R116H(精氨酸→组氨酸)和CRYABp.R120G(精氨酸→甘氨酸)突变蛋白在热环境中不太稳定，容易聚集。Vanita等[12]报道了CRYAA的p.R49C(精氨酸→半胱氨酸)突变，其位点位于α-晶状体蛋白结构域以外；CRYAA上的无义突变W9X，终止密码子的过早形成导致了编码蛋白的异常。最近，Liu等[13]报道了CRYAA基因的c.34C>T杂合子变异，变异导致密码子12(p.R12)的胱氨酸取代高度保守的精氨酸，突变的CRYAA蛋白的二级结构发生了变化，局部疏水性增加。

目前已知CRYAB的突变与孤立性后极白内障、心肌病或肌原纤维肌病等非综合征临床表型有关。其中，外显子1上所报道的均为错义突变，并与孤立性白内障相关，外显子2上暂无已报道的突变，而外显子3上的突变可能表现为上述任何表型。Ghahramani等[14]发现αB-晶状体蛋白的P20R(脯氨酸→精氨酸)和A171T(丙氨酸→苏氨酸)突变会引起晶状体蛋白结构和功能发生不同程度的改变，其中A171T突变蛋白显示了明显的三级结构改变，P20R表现出明显的二级结构改变，两者均有淀粉样纤维形成增强的趋势。αB-晶状体蛋白的P20R和A171T突变蛋白相比，具有较弱的伴侣样活性和增加的寡聚体大小及分布。此外，在一些研究中，A171T突变蛋白的结构和功能性质保持相对不变。此外，表达A171T突变蛋白的细胞相比与正常细胞更容易凋亡，这一现象可能与白内障的发病有关。既往报道较多的缺失突变为CRYAB编码区外显子3上的一个缺失突变450deAl，该突变造成了150个密码子的移码突变，产生异常蛋白。这些突变的致病性还需通过动物实验模型和更大的样本量来验证。

2.2β-晶状体蛋白的基因突变β-晶状体蛋白由7个亚基组成，分为酸性蛋白与碱性蛋白。其中酸性蛋白包括βA1/A3、βA2、βA4，碱性蛋白包括βB1、βB2、βB3，分别由CRYBA1、CRYBA2、CRYBA4、CRYBB1、CRYBB2和CRYBB3基因编码。实际上，βA1和βA3是由相同的基因编码，但转录本不同。β-晶状体蛋白只存在于晶状体纤维细胞中，不存在于晶状体上皮中。

β-晶状体蛋白家族中最常见的突变有CRYBA3/A1基因剪接位点突变c.2151G>A和CRYBB2基因的无义突变p.Q155X，前者影响mRNA的剪接过程，导致Greek关键基序的缺失，而后者与基因转化和拷贝数变异有关。被报道的β-晶状体蛋白错义突变还有定位于22号染色体上的CRYBB2外显子6上W151C(色氨酸→半胱氨酸)突变[15]、q11.2-q12.1上CRYBBl外显子6上的X253R杂合子突变[16]和G220X突变，以及CRYBB3外显子6上G165R(甘氨酸→精氨酸)突变，其中G220X突变可能与粉尘状白内障相关。而CRYBB2基因中发现的第一个突变C475T起初被认为与蓝白色环形晶状体混浊相关，但同样的突变相继被发现在盘状白内障家系和缝状白内障家系中，目前认为其启动子区的变化引起CRYBB2在晶状体或其他晶状体基因中作为周围修饰剂的表达异常，从而导致表型的多样性。

Li等[17]报道CRYBA4的突变G64W(甘氨酸→色氨酸)，并发现该突变会导致蛋白质的错误折叠，进而降低蛋白质的稳定性，且使CRYBA4与CRYBB1的相互作用受阻，进一步破坏了CRYBA4蛋白质的稳定性。Chen等[18]在对2个常染色体显性遗传性的先天性核性白内障家系的研究中发现了CRYBB1(c.347T>C)和CRYBB2(c.355G>A)突变，这两种突变在以前的报道中尚未发现。Jin等[19]在先天性白内障伴有小眼球症家系发现了一个CRYBB1新的错义突变p.S93R(丝氨酸→精氨酸)，该突变所在家系的遗传方式为常染色体显性遗传。目前仍不能排除S93的翻译后修饰(例如磷酸化)为βγ-晶状体正常结构完整所必需。位于CRYBAl/A3外显子4上3个碱基缺失形成的G91del突变，被报道可能与先天性板层白内障相关。β-晶状体中的大多数错义突变可能通过破坏Greek关键基序，降低蛋白质的溶解度，改变动态寡聚平衡，增加蛋白水解的易感性或改变蛋白质-蛋白质的相互作用而诱发先天性白内障[20]。

2.3γ-晶状体蛋白的基因突变γ-晶状体蛋白由人晶状体中的γA、γB、γC、γD、γE、γF和γS组成。在小鼠中，γA到γF基因位于1号染色体，γS基因位于16号染色体。在人类，γ-晶状体蛋白基因也是一个簇，γA～F呈串联重复基因簇排列，序列相似性百分比高。不同的是，人类CRYGE和CRYGF是假基因，只有CRYGC和CRYGD具有很高的活性，CRYGA和CRYGB的存在水平很低[21]。引起先天性白内障的基因突变主要见于CRYGC、CRYGD和CYRGS基因，前两者变异主要导致核型白内障和珊瑚状表型白内障[22]。到目前为止，已经报道了大约25个CRYGC突变、25个CRYGD突变和8个CYRGS突变[23-24]。

CRYGC基因突变p.G129C(甘氨酸→半胱氨酸)促进易聚集中间体的积累，并能形成细胞毒性淀粉样聚集体[25]。CRYGC基因中的5碱基插入引起的白内障(C.119_123dup，C238ins GCGGC，p.C42Afs*63)，该突变导致了晶状体微结构的混乱。CRYGD的突变p.R14C(精氨酸→半胱氨酸)，p.R36S(精氨酸→丝氨酸)和p.R58H(精氨酸→组氨酸)没有改变蛋白质的折叠，而是改变了晶状体蛋白的表面性质[26]，例如突变体R58H表面疏水性的变化导致单个的突变体聚合成不溶性聚集体，进而表现为针状白内障。CRYGD的突变p.L45P，p.R140X，p.W156X和CRYGC的突变p.W157X都影响了Greek关键基序，使蛋白质溶解度降低，提高了晶状体成核速率[27]。

与白内障相关的其他γ-晶状体蛋白突变，其表面疏水性随溶解度的降低而增加[28]，导致晶状体蛋白在近似生理的温和条件下的自聚集，以及对化学和热变性的敏感性增加。Bari等[5]的构象分析揭示了p.G57W(甘氨酸→色氨酸)突变降低了γS-晶状体蛋白的热稳定性。Ji等[29]报道中指出p.W43R(色氨酸→精氨酸)突变降低了γD-晶状体蛋白的稳定性，增加了其对紫外线照射的敏感性。CRYGD上的c.124G>A [p.V42M(缬氨酸→甲硫氨酸)]突变导致了先天性核性白内障，这种突变被证明是扭曲了分子的紧密堆积，打开了蛋白质的三级结构，将通常埋藏在蛋白质内部中的疏水残基暴露于表面。另有研究表明，一些对蛋白质结构和稳定性影响不大的突变可能会增加γ晶状体对氧化应激的反应[30]，并认为这种敏感性的变化可能是白内障发生的重要触发因素之一。总的来说，突变体比野生型γ-晶状体蛋白更容易沉淀和产生散射光。

3小结

总之，随着近年来测序技术和分子生物学研究的进步，先天性白内障的遗传特征和结构变异逐渐被揭示。这些研究不仅有助于突变基因的定位，也为致病机制的揭示提供了一定的实验基础。但是表观遗传学研究也提示，仅从DNA序列上寻找疾病病因是片面的，DNA甲基化、基因组印记、RNA编辑等更复杂的机制也可引起细胞表型或基因表达的变化。随着未来技术的不断提高和完善，先天性白内障的发病机制将得到更好的了解和诠释，以期为更有效的预防、诊断和治疗提供依据和策略。