Axenfeld-Rieger综合征临床特征及遗传变异相关研究

王琦 综述 邵正波 原慧萍 审校

哈尔滨医科大学附属第二医院眼科 哈尔滨医科大学心肌缺血教育部重点实验室,哈尔滨 150086

Axenfeld-Rieger综合征(Axenfeld-Rieger syndrome,ARS)是一组累及双眼的、可伴有全身多部位发育异常的常染色体显性遗传病,外显率接近100%。该病眼部的特征改变首次记载于1883年,后经Axenfeld正式命名为Axenfled异常,其特点为虹膜附着于突出、前移的Schwalbe线,即角膜后胚胎环;伴有虹膜发育不良、瞳孔偏位或多瞳孔者为Rieger异常;同时出现眼外其他部位发育缺陷的即为Rieger综合征[1]。因上述临床表现相互重叠且传统分类难以适用于所有情况,同时为提示医生关注患者其他眼部和全身体征,将该疾病统称为ARS[2]。作为一种罕见的发育相关遗传病,ARS在多种族中均有报道,发病率为5万～10万分之一[3],且临床表现复杂,具有表型异质性和遗传异质性,为临床诊断及致病机制的研究带来极大困难。本文将对ARS临床特征、相关基因、基因与临床表型的关系、基因功能研究现状等进行综述,以期提高临床对ARS的认识。

1 ARS的临床特征

1.1 眼部特征

ARS在眼部主要累及角膜、虹膜、房角(图1A),这些部位的发育异常使ARS患者具有较高的青光眼患病风险,可高达50%以上[5],部分患者的眼部异常表现会随生长发育而改变[2]。

图1 ARS临床特征 A:裂隙灯显微镜下可见瞳孔变形和偏位、多瞳孔、虹膜发育不良伴括约肌突出、角膜后胚胎环(黑色箭头) B:虹膜前粘连 C:腹部照片显示脐部皮肤突出 D:牙齿发育异常,如牙缺失、钉形牙 E:面部畸形如上颌骨发育不全伴面中部扁平[4]

1.1.1角膜后胚胎环 角膜后胚胎环作为ARS患者典型特征,裂隙灯显微镜下表现为角膜后近角膜缘处白线结构,即增粗、前移的Schwalbe线,通常位于眼部颞侧或鼻侧,但其长短、粗细各不相同,少数患者可达全周,偶见Schwalbe线悬浮于前房[6]。病理学研究显示这种粗大移位的Schwalbe线由致密的胶原蛋白和基质构成,并被角膜后弹力层样膜组织覆盖[2]。个别ARS患者不具有角膜后胚胎环,而且约6.8%的非ARS眼科门诊患者也存在后胚胎环[2,7]。

1.1.2虹膜异常 虹膜体征主要为发育不良、瞳孔偏位、多瞳以及虹膜周边前粘连。虹膜发育不良在ARS患者中很常见,多呈局灶性或弥漫性基质萎缩,严重者虹膜基质完全缺失,也可出现括约肌突出、虹膜颜色呈巧克力棕色或土灰色改变[8-9]。ARS患者所表现的多瞳孔是由虹膜局部区域全层缺失所致。虹膜周边前粘连的情况也不尽相同,粘连部位多位于Schwalbe线,少数为Schwalbe线前方角膜或小梁网;周边虹膜粘连形式上可以呈现单一束状附着,也可呈花瓣状附着于某个象限甚至全周,但粘连范围与青光眼发生无明显相关性[2]。

1.1.3青光眼 ARS患者眼压升高可以发生在出生时和出生后的任何时间,主要起病于青少年时期或成年早期,青光眼的患病风险与眼部表型严重程度尚无明确关联;组织病理学研究发现ARS患者存在房水引流途径结构异常,如小梁网结构致密、小梁间隙明显变薄或缺失,缺少发育正常的Schlemm管[2,10],因此房水流出结构发育阻滞是ARS伴发青光眼的可能机制之一。在婴儿期或儿童早期即出现眼压升高的患者也会伴有眼睑痉挛、角膜扩张、角膜混浊等症状[11],需要与原发性婴幼儿型青光眼相鉴别。

1.1.4其他 ARS患者虽呈双眼发病,但严重程度不一,极少数患者具有双眼不对称的表型。Law等[12]报道一例ARS患儿右眼瞳孔偏位、双瞳孔,左眼虹膜几乎全部缺失,经房角检查发现双眼存在虹膜前粘连、左眼房角接近全部闭合。国内外均有发现ARS患者伴有斜视、视网膜脱离、白内障等情况,个别ARS患者出现球形晶状体、晶状体异位[2,13-17],但因病例少,上述异常表型形成的机制尚不明确,故尚不能作为ARS的典型临床特征。查明这类患者的遗传变异、破解这些伴随症状的潜在机制可为深入理解眼部发育的调控机制提供新的角度。

1.2 眼外其他器官发育异常

ARS眼外其他系统的发育缺陷主要表现在颅面部、牙齿、腹部的异常(图1)。面部特征主要为器官过距、内眦间距过宽、前额突出、鼻根平而宽、上颌骨或下颌骨短、上唇薄而下唇厚;也可出现牙齿发育不良、小牙、钉形牙、先天性缺牙或无牙。患者可以具有上述颅面部表现的一种或几种,且严重程度不一。肚脐凹陷处皮肤突出或增生是ARS常见的躯体发育异常,个别患者脐部皮肤可突出于腹壁平面,极少的患者可能在出生时死于脐膨出或腹壁关闭失败[12,18]。值得注意的是上述发育缺陷并非ARS独有,Walter等[19]发现诊断为房角发育异常(iridogoniodysgenesis,IGD)的患者也可伴有相似的上颌骨发育不良、脐部皮肤突出等,因此是否具有ARS样角膜后胚胎环和虹膜前粘连成为鉴别ARS和IGD的关键点。

心脏发育缺陷和听力下降也可见于ARS患者,其中心脏异常表现为二尖瓣发育不良、脱垂、反流或狭窄,房间隔缺损及房颤等[20-23]。也有个别报道ARS患者出现垂体功能异常、精神发育迟滞、甲状腺功能异常、脑积水、蛛网膜囊肿、肛门闭锁以及男性患者的尿道下裂等[9,24-28]。目前无法明确上述异常是ARS相关表现还是与ARS并存的其他发育缺陷,而针对ARS的治疗主要依靠手术,而患者这些其他的全身先天发育异常增加了手术的风险。

2 ARS遗传变异

ARS是神经嵴细胞相关的眼前节发育异常[10],遗传变异是探究ARS发病机制的重要切入点。比利时和荷兰联合进行的一项针对80例ASD患者研究显示,40%患者携带PITX2和FOXC1基因的遗传变异[29]。美国一项研究中也发现38例ARS患者中24例携带PITX2或FOXC1基因变异[30]。由于ARS疾病罕见、具有遗传异质性、缺少大规模的人群研究,故而无法得知ARS相关致病基因的确切致病比例。

2.1 PITX2基因相关突变

PITX2基因属于编码Paired-Bicoied同源盒结构域(homeodomain,HD)蛋白家族的成员之一,其以不同转录形式表达于颅面部及垂体、心脏等多种器官[19],编码的蛋白作为转录因子正向或负向调控目标基因的转录[31]。PITX2基因上编码HD的同源盒(homobox,HOX)区为ARS突变热点区,相关突变主要为基因内的错义或无义突变、碱基的删除或插入、剪接突变,基因内重复、PITX2基因调控区异常、涉及PITX2基因的染色体异常等也是ARS发病的遗传因素[32-34]。

基因内突变和基因删除(单倍体剂量不足)在ARS相关PITX2基因突变中很常见,提示该基因表达量在发育中至关重要,并经动物模型验证[20,35]。而基因内突变的类型和所在位置与表型没有明确的相关性,这可能与PITX2突变后残留功能相关[3,36];其也可能是由于突变在不同程度上改变了PITX2蛋白DNA结合能力、转录激活能力[11,32,37],使得基因调控网络失去平衡。一些PITX2基因突变也可能通过影响mRNA剪接进而影响蛋白质各级结构,从而造成功能异常[38]。

2.2 FOXC1基因相关突变

FOXC1基因编码的蛋白作为叉头转录因子之一,发挥调控间充质干细胞迁移、分化等作用[19]。FOXC1蛋白上的叉头结构域可与靶基因DNA调控区结合,而编码该重要部分的基因区是ARS相关错义突变的主要发生位点,其他FOXC1突变还有基因内的片段重复、删除或插入。与PITX2一样,FOXC1基因表达量减少与ARS发病有关,但基因重复较PITX2更为常见[4,39]。Berry等[40]研究发现PITX2蛋白与FOXC1蛋白在小鼠胚胎时期眼周组织共表达;在COS-7细胞系中,PITX2A蛋白的HD区与FOXC1蛋白上转录激活相关的C-末端相互作用,进而抑制FOXC1蛋白靶基因转录激活;而Hela细胞中ARS相关的PITX2突变可逆转这种抑制作用。Acharya等[41]进一步研究发现,人小梁网(human trabecular meshwork,HTM)细胞中FOXC1蛋白的转录激活作用也受到PAWR蛋白的影响,而后者也可通过与PITX2蛋白相互作用抑制PITX2蛋白靶基因的激活,并协同FOXC2或FOXC1蛋白影响PITX2蛋白的转录活性。因此FOXC1基因剂量的异常、PITX2和FOXC1蛋白转录激活能力的调控失衡可能是ARS发病的机制所在,而深入研究其内在调节机制、破解与表型连接的关键点或可为ARS治疗提供靶点。

与PITX2突变相比,FOXC1突变患者的全身异常相对少见,以心脏异常和听力下降者较多,眼部表型差异不大,但青光眼发病年龄更早[5,9,20,42]。在HTM细胞中,FOXC1蛋白通过调控热休克蛋白家族成员HSPA6表达来发挥抗氧化应激作用,而ARS相关突变在一定程度上削弱该保护作用[43]。当斑马鱼FOXC1基因敲除时出现视网膜神经节细胞层细胞变小和数量减小,这提示FOXC1与青光眼的形成及早发有关[44]。另外Walter等发现FOXC1突变携带者对常规降眼压药物反应性差,认为其可能与FOXC1参与调控前列腺素信号通路、遗传变异导致FOXC1活性降低有关[5,45]。因此联系基因型和表型的特殊性或许可为揭示ARS致病机制提供新思路。

2.3 其他ARS相关基因及染色体位点

Sibon等[46]通过连锁分析和直接测序锁定含有5例ARS患者的家系致病突变为COL4A1基因错义点突变,但该家系患者除ARS典型特征外,还伴有脑白质病变。另有研究报道COL4A1变异与ASD伴中枢神经系统异常相关,但目前对于COL4A1基因相关变异尚无诊断标准[47-48]。PRDM5是通过全外显子测序技术发现的与ARS相关的新基因[49],其与PITX2同样位于4号染色体长臂,也同为转录因子,但由于未对该PRDM5变异进行功能研究,其致病性与PITX2相关性尚不清楚。Riise等[50]通过PAX6基因荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH)发现一例ARS患儿体内一条11号染色体p13区缺失,而PAX6基因包含其中,故认为PAX6基因是ARS的致病基因之一。但Riise等[51]再次对该患儿进行FISH和多重连接依赖式探针扩增技术均无法再次验证11p13区缺失,推测此前使用的FISH探针与该区域杂交能力差;同时发现该患儿携带已报道PITX2基因c.253-11A>G突变。作为原发性先天性青光眼(primary congenital glaucoma,PCG)的致病基因,CYP1B1基因也见于ARS报道,且其中多数ARS患者携带与PCG患者相同的突变[52-53]。由于未进行相关机制研究,故无法明确CYP1B1突变是ARS的病因,还是仅参与ARS患者青光眼的发生。其他与ARS相关的染色体位点包括6p25、13q14等,但至今尚未锁定变异形式及致病基因[54-55]。

有研究发现PITX2基因周围调控序列异常可通过影响PITX2表达而致ARS发生[56]。对比包含FOXC1的染色体区段大片段删除的ARS病例,发现其表型的严重程度与删除片段大小相关,这提示FOXC1相邻基因可能也参与ARS发病[20]。Mears等[54]通过连锁分析锁定一家系的ARS发病与FOXC1所在的6p25变异有关,但并未筛查到FOXC1基因的任何异常,这提示FOXC1附近可能也存在FOXC1调控序列,进而参与ARS发生,但目前尚未见相关研究。即使具有相同突变的同一家系患者,疾病所累及的组织结构及严重程度也不尽相同。Hjalt等[18]推测可能由于患者突变基因下游靶基因或辅助因子的某种等位基因对致病基因突变表现出敏感性差异,或突变基因内存在尚未发现的调控区域变异。随着高通量测序技术的不断发展,外显子测序及全基因组测序等二代测序技术的应用可为发现PITX2、FOXC1基因外其他致病遗传变异提供高效途径,进而加快推进ARS发病机制、表型异质性研究进程。

3 总结与展望

ARS所具有的表型异质性以及与其他神经嵴细胞相关眼前节发育异常交集的眼部特征,为临床诊断带来一定困难,因此对于疑似ARS或其他神经嵴细胞相关眼前节发育异常的患者,除详尽的裂隙灯检查、青光眼排查及家族史询问外,还应结合眼部超声生物显微镜、眼前节光学相干断层扫描、活体角膜激光共聚焦显微镜等辅助检查结果以及全身系统表现。ARS的罕见性和遗传异质性使其分子遗传学研究难度增加,联合多地区眼科医师进行眼科罕见病和发育相关眼病的共同诊疗及多中心分子遗传学合作研究,可加快推进ARS等眼前节发育异常疾病发病机制的研究进程,为眼相关遗传病治疗、产前诊断和遗传咨询提供重要的参考价值,推动儿童防盲治盲工作的进一步完善和发展。

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