视网膜色素变性的基因、蛋白、展望

视网膜色素变性的基因、蛋白     1857年在眼底镜发明不久，德国的一位内科医生Donders就发现了一些致盲的疾病视 网膜有骨细胞样色素，为了描述他所见，起名为 Retinitis Pigmentosa（RP），这在学术上 实际为一个误称，因为这种原发性缺陷并无炎症现象，但这个名称一直被广泛使用而得以保 留下来。在现代医学的定义中，RP被描述为一组遗传异质性的进行性的视网膜变性，主要 影响周边部视网膜，病人有夜盲和进行性视野丧失，大约30％病人最终失明，其余病人最 终也视力严重受损。RP是一种最常见的视网膜变性，发病率约1：3500，全世界约有200 万人受累，眼科检查一般有视网膜动脉变细，视盘蜡黄色，有特征性骨细胞样色素沉着，同 时电生理检查有杆细胞反应降低或引不出。RP的色素一般认为是由于RPE（含色素）迁移到 变性的视网膜上或由脉络膜毛细血管的巨噬细胞在迁移到受损的视网膜过程中“捡到”的变 性RPE细胞中的色素。     RP的遗传类型有常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传、性连锁遗传以及少数的线粒 体DNA遗传和双基因模式遗传，另外仍有50％的患者无家族发病史，这些病人一般认为是 阴性的，虽然他们也可能是X连锁或常染色体显性遗传的不全显性遗传，或新的显性突变。 这也可能说明他们代了由于多对基因座的不支持的等位基因造成的遗传复杂性。     最近十年，我们对RP的遗传学认识有了很快发展，通过人量研究，对它的遗传异质性 己成共识，这儿我们仅对无其它系统缺陷的RP进行综述。到目前为1卜，有39个基因位点涉及典型的非综合症RP中，有30个致病基因确认，剩余的9个止在鉴定中（显性1个，阴性5个，性连锁3个）实际上RP仅是大量视网膜疾病中的一种，另外还有33个基因或位点与综合症型RP有关，总共有132个基因参与了人类各种形式的视网膜色素变性。     随着大量致病基因被确认，我们将大多数影响RP的蛋白质规划为6大类，表工综合了 各组以及对各个蛋白的认识，汇总了各个致病基因，这种形式的分类让我们对引起视网膜变 性的各种细胞缺陷有了清晰的认识。     一、光传导级联     光传导是在感光细胞中进行的一种特征性的生化过程，它将光子转化成电化学信号，杆 细胞和锥细胞具有同样的机制，即G蛋白受体耦联信号传导途径，虽然秆细胞和锥细胞有特 征性同系物参与这一途径中。由于RP主要累及杆细胞，因而杆细胞的光传导过程中参与的 蛋白的突变是RP的主要致病原因。     杆细胞中的光传导级联是由视紫红质（Rhodopsin RHO）引发的，它是一个七次跨膜蛋 白共价连接到11顺视黄醛的发色团。光刺激后可转变11顺视黄醛为全反视黄醛异构体，形 成偏位＊视紫红质，它催化G蛋白转导蛋白的激活，随即引起磷酸二酯酶（PDE）的激活， PDE水解CGMP为5’－GMP，一个视紫红质分子可激活多个转导蛋白分子，相应可檄活多个 PDE分子，是信号放大，细胞内CGMP水平的降低，可导致外节膜上CGMP 门控型阳离子通道 关闭，由于没有Ca2内流的平衡，细胞处于超极化状态，在这种状态下 突触区的谷氨酸 递质释放被抑制，信号被传到视皮质区。当偏位Ⅱ视紫红质失活（视紫红质被抑制蛋白结合）， 恢复到静息期状态。转导蛋白a亚单位内源性GTP 激酶活性可水解结合型GTP，引起转导蛋 白和PDE失活，CGMP门控通道的关闭使细胞内Ca2水平较低，低钙可激活鸟苷酸环化酶合 成CGMP，当细胞内CGMP水平增高时，CGMP门控Na＋和CaZ＋通道重新开放，重建去极化的 暗适应状态，当Ca2＋水平再次升高时，鸟苷酸环化酶活性被抑制，CGMP合成回到原来水平。     视紫红质（RHO基因突变是最普遍色体隐性遗传和先大性静止型夜盲（CSNB） 编码杆 细胞PDE a和b亚单位基因（PDE6A和PDE6B），杆细胞环核苷酸门控通道亚单位（CNGAI） 和抑制蛋白（SAG）都可引起常染色体隐性遗传。PDE6B突变还可引起显性的先大性静止型 夜盲（CSNB），而SAG突变可引起隐性CSNB。光传导途径中涉及的蛋白也参与其它类型的视 网膜变性，如视网膜特异性鸟苷酸环化酶激活蛋白 CA（GUCAIA）引起视锥细胞营养不良，视紫红质蛋白激酶（RHOK）和杆细胞转导蛋白a亚单位（GNATI）引起隐性CSNB，锥细胞环 核苷酸门控通道（CNGA3）引起全色盲。     二、视黄醛（维生素A）代谢     视觉周期是指视紫红质发色团再循环的一系列生化过程。以下主要叙述视觉周期和涉及 在RP中的一些物质。   在RPE细胞中全反视黄醇结合到细胞浆中维生素A结合蛋白上，被卵磷脂视黄醇转移酶  （LRAT）转移产生全反视黄醇酯，酯键被一个异构水解酶水解，释放能量使全反视黄醇异构 成11顺视黄醇，这一过程涉及RPE蛋白（RPE65），11顺视黄醇随后在被11顺脱氢酶5（RDHS） 转化为11顺视黄醛前，被细胞视黄醛结合蛋白（CRALBP)结合。11顺视黄醛分于被转运到 感光细胞内，与视紫红质以质子化的希夫碱结合，视紫红质光激发效应转变11顺视黄醛为 全反视黄醛，引起光信号传导级联。全反视黄醛从视紫红质上分离，结合到磷脂酰乙醇胺（PE） 上形成N－retinylidene－PE，这一物质随后从盘内部转运到感光细胞浆（由ATP结合盒式转运体ABCA4),在细胞浆中，它被全反视黄醛脱氢酶转化为全反视黄醛；释放转运到RPE，完     在视觉周期中，有四个基因编码的蛋白因基因突变引起常染色体隐性RP，即RPE65， CRALBP，LRAT和ABCA4，其中RPE65和LRAT突变引起特别严重的早期发病的RP类型，ABCA4 突变也可引起中心性视网膜病变，如 Stargardt病，另外编码 RPE视黄醛 G蛋白耦联受体   （RGR）基因突变也可引起ARRP，它是视紫红质的同系物，可促进全反视黄醛光异构化为11 顺视黄醛（这一反应的逆反应发生在视紫红质光异构化），这些涉及在视黄醛生物转化过程 中的蛋白确切作用仍不清楚，但可推测出在高强光下提供一个发色团来源。     三、结构蛋白     感光细胞特异蛋白，盘缘蛋白／RDS和杆细胞外膜1（ROMI）被认为是非常重要的维持杆细胞外节扁平膜盘形态的结构蛋白，这些蛋白均有4个跨膜结构域，相互之间在盘缘形成四倍体结构，RDS基因突变己确认能引起ADRP和双基因模式 RP（同时有 RDS和 ROM1突变），ROM1单独突变引起 ADRP，在盘缘蛋白／RDS的等位基因突变也可引起一系列中心性视网膜变性。视紫红质约占感光细胞外节蛋白成份的70％，因此认为它在光信号传导中，在维持杆细胞外节形态中起关键的结构性角色。     四、转移因子     由CRX、NRL和NRZEZ编码的转移因子被认为涉及在许多感光细胞特异性基因控制中，NRL突变至今仅发现在ADRP中出现，但CRX突变则被发现在许多遗传类型中包括ADRP、锥杆细胞营养不良LCA。NR2E3突变一般引起ADRP，有少数在隐性增强的S一锥细胞综合症中发现。     五、细胞间相互作用     C一Mer原癌基因酪氨酸激酶（MERTK）突变引起ARRP，它一般作用于RPE和感光细胞之间的信号传导。CRB1编码跨膜蛋白屑，最近在果蝇实验中发现，它在校正感光细胞形态、信号定位、粘附蛋白分布等方面起关键作用。CRB1基因突变可引起 RP和 LCA。另外USHZA编码细胞间粘附分子，突变可引起ARRP。USHERIN、PCDH15和 CDH23均有细胞粘附特性， USHERIN是引发USHer综合症的蛋白之一，其它两个属于钙粘蛋白家族。     六、剪切因子     在2002年RP遗传学研究领域，最值得关注的是3个前mRNA剪切因于的突变可引起ADRP，涉及的基因是PRPFS、PRPE31、HPRP3，均编码核内小分子核糖核蛋白（snRNP），它们是U4／U6：U5 三snRNP剪切体的重要成份，U4／U6：US snRNP剪切体是一个多功能RNA一蛋白质复合体，具有从前帧NA中剪切内含于序列，拼接外显子产生成熟mRNA，这三种引起RP的剪切因子的表达无所不在，不像其它RP基因主要在视网膜上特异性表达、但为何这种基本的管家细胞功能的缺陷引起显性的视网膜细胞变性至今尚不清楚，可能由于视网膜细胞的高代谢率，需要合成大量光色素，使得感光细胞特别对这种缺陷敏感，而其它组织仅仅处于亚致病状态，作为这样一个或几个视网膜特异转录体的加工，可能唯一为这种突变所受累。     七、细胞内转运／细胞骨架功能     由于感光细胞表现为高度结构化形态；因而通过纤毛从内节合成部位有效的蛋白转运到外节对于感光细胞功能的发挥相当重要，TULP1基因产物，一种视网膜特异膜属tubby样基因家族，将视紫红质从内节转运到外节中起重要作用。RPGR基因突变占XLRP的70％，定位于感光细胞的外节和纤毛，参与小泡运输。另外有三个基因参与细胞骨架的形成，这三个基因编码的蛋白可能通过细胞内转运，细胞骨架的整合作用发挥作用。当发生突变后，此功能减弱或丧失，导致RP发生。RPI突变可引起ADRP，它与doublecortin（DCX）有同源性，DCX具有调节微管动力学和稳定神经发育作用。RP1仅存在于视网膜上，定位于感光细胞纤毛。RP2基因突变可致XLRP与人辅助因子C有同源性，辅助因于C参与β微管蛋白的折叠。视网膜特异基因FSCN2与ADRP相关，它在肌动蛋白成束方面起作用。     八、未知功能的基因     有两个近年来的RP致病基因，在视网膜生化代谢中尚未发现其明确的作用，不能划分为以上几类中，IMPDH1（一磷酸次黄膘吟核苷脱氢酶）编码的蛋白参与核酸生物合成，RP9是一个未知功能的无所不在的表达基因，目前仍不知这 种基因突变如何导致RP的发生。     九、视网膜变性途径     以上所述的许多突变都可减弱或丧失视网膜功能，实际上，在一些RP，起初视网膜发育和功能是正常的，随着进行性视网膜变性才逐渐视力丧失，但在CSNB，病人出生后即有缺失的视杆细胞功能，只是夜盲症状一直存在，无进展，最终并未发展成为RP。有趣的是三个突变后能引起CSNB的基因，也可引起RP的产生。这三个基因编码光传导级联途径中的三个蛋白质。RHOK基因仅能引起显性CSNB。两个锥细胞光传导蛋白的缺陷（CNGA3和CNGB3）可引起非进展型全色盲。因此认为在光传导途径中的一些缺陷可引起视网膜变性， 也可引起非进展型感光细胞功能丢失。     另外一个有功能显著性的模式是遗传类型，在光传导途径中的缺陷一般都引起ARRP，只有一个例外是视紫红质，它实际还有结构性功能，两种常见的引起RP的感光细胞结构蛋白缺陷都引起ADRP。在视觉周期中的一些缺陷一般引起隐性表现，而视网膜转运囚子和剪切因子的突变引起ADRP，在细胞内转运中，仅有一些遗传混合类型。而参与细胞骨架功能的蛋白引起ADRP，如FSCNI和RP1。在细胞转运中具有更直接作用的蛋白RPGR1、RP2、 TULP1则参与ARRP和XLRP。     通过对这些能引起RP的途径和过程中缺陷的认识，使我们更深刻的认识RP的病因，但仍有一些问存在。许多视网膜变性动物模型已显示感光细胞的死亡是通过凋亡途径，因此可以这样认为人类的绝大多数视网膜变性也是通过细胞凋亡死亡的，但是缺陷的不同类型是如何导致最终的共同死亡道路一感光细胞凋亡的呢？基于对视网膜变性动物模型的观察和我们对视网膜生物学的知识，提出以下几种可能，可能每种可用于其中一种和多种类型中。    首先，于预光传导途径的突变可能造成CGMP门控通道的持续开放，持续的Na＋、Ca2＋内流可引起代谢物超载和直接的毒性反应。第二，干扰外节膜盘形成的突变或直接通过结构蛋白的缺陷引起或者间接由于整合蛋白的胞内转运异常，造成这些蛋白的异位积聚。在几种视网膜变性动物模型中，发现外节的缩短和外节膜盘的异常。这可能导致氧毒性。由于减少的氧耗量和感光细胞体更接近于富含氧的脉络膜。第三、RPE功能失常，干扰ll－顺视黄醛再循环或其它一些感光细胞与RPE之间的相互作用，可引起视网膜变性。第四、突变导致光传导途径中构成的激活，但它如何开启细胞死亡仍未知，可能参与了氧中毒，因为在感光细胞微环境中的氧积聚减少，由于组成性激活的感光细胞上Na＋／K十ATP酶的失活。这种机制被认为是“等价光假说”。     人眼疾病或者说是视网膜变性遗传的复杂水平，一般唯一的，无先例的，在人遗传性疾病中有l／3包括有眼的缺陷。这可能有部分原因是由于眼缺陷的非致死性和视网膜疾病的明显表现吧，然而视网膜是复杂的特异的，非分化组织，有高的氧含量，大量的线粒体，有高的代谢率，在杆、锥细胞和RPE以及其它视网膜细胞之间有复杂的内在关系、同时也增加了其它周围细胞损伤祸及感光细胞死亡的易感性。因此可以推测眼是对一些亚致病性缺陷更敏感的特殊组织，这一假说可以解释为何存在于普通过程中的缺陷如剪切因子仅引起RP的原因。     十、展望     对于RP遗传学研究对患者的一个好处是明确诊断、预后和咨询，这并不是总是有效的，因为RP的遗传异质性使这成为一个令人头痛的难题，然而对XLRP和ADRP，一些常见的基因突变占大多数，至少在欧洲人或欧洲裔美国人对大多数突变可进行筛查。其中工种ADRP基因，RHO和PeriPherin／RDS占ADRP的35％，在其它10个己知ADRP基因中，四个突变热点或常见突变占大多数，但并非所有突变在这儿都可找到。而XLRP近一半是由于RPGR基因的ORF15外显子突变包括影响女性携带者的显性遗传。隐性的RP看起来更复杂，但抑制蛋臼的309delA、USHERIN的cys759phe和PDEαpDEβ催化的各种突变占一定比例的ARRP。因此单纯选择性的筛选突变热点中常见的突变和聚焦有热点突变位点的外显于可对RP患者有效而经济的筛选突变基因，在过去十年，对蛋白质组学的研究一直落后于基因的研究，在未来几年，two－hybrid和其它蛋白质相关共同将有助于正常眼发育的研究。开发人类遗传眼病的动物模型也有助于各种疾病病理学和转录的研究，动物模型也用于评价环境因素和基因改变的影响，对某些治疗可行临床前期实验。人们探索了许多治疗途径，包括基因治疗（基因替代和导人治疗因子如核酶）、营养物质治疗如维生素A、RPE细胞移植和所谓的“生物工程眼”。另外抗炎药用于治疗继发性炎症，深色眼镜也是有益于有些病例的眼，但对于定量这些治疗效果仍很困难，因为测试的病人可能有不同疾病情况，新的遗传学知识直接益处是研究者有机会治疗有相同基因缺陷而不同类型或亚型的病人，这样可能将泊疗目标用于最能取得治疗效益的病人。