医学遗传学期末论文

遗传性角膜营养不良遗传学研究进展

Advance in the Research of Hereditary Corneal Dystrophy

作者：XXX

Author：XXX

【摘要】角膜营养不良是一种遗传性疾病，随着遗传学研究技术的发展和进步对引起各

类角膜营养不良的致病原因有了进一步的认识，并确定了部分角膜营养不良的相关遗传基因和突变点。角膜营养不良是各种眼遗传性疾病中发病率较高的一类，其遗传方式和临床表型都具有特异质性的特点。综述了各种相对多见的遗传性角膜营养不良的发病机制,对此进行较新的研究进展进行了综述。

【Abstract】corneal dystrophy is a hereditary disease, with genetic research and

technological development and progress to cause all kinds of causes of corneal dystrophy had a better understanding and to identify some of the relevant genetic corneal dystrophy genes and mutations. Corneal dystrophy is a hereditary disease in a variety of ocular higher incidence of a class, its mode of inheritance and clinical phenotypes have idiosyncratic characteristics. Overview of various relatively common hereditary corneal dystrophy pathogenesis of this in the newer studies were reviewed.

【关键词】角膜营养不良；遗传学；基因；研究进展

【Key Words 】corneal dystrophy; genetics; gene; Progress

前言：角膜营养不良(corneal dystrophy, CD)是一组少见的遗传性、双眼性、原发性并具有

病理组织特征改变的疾病,与原来的角膜组织炎症或系统性疾病无关。可根据其遗传模式、解剖部位、临床表现、病理组织学、超微结构、组织化学等的不同而分类,其中解剖部位分类法最常用。一般根据受累角膜层次而分为角膜前部、实质部及后部角膜营养不良三类，研究发现这3种类型的ECD都由神经脊终末分化异常所引起[1],且有许多相同的特征如：角膜内皮细胞功能及形态异常、后弹力层后部可见由角膜内皮细胞分泌的异常胶原等。由于角膜营养不良是一种遗传性疾病,众多学者早就开始对其遗传方式进行大量的研究，随着科学技术的不断发展特别是近期分子遗传学理论及实验方法飞跃性的发展以及全世界科学家联合开展对人类基因组计划的研究,对包括角膜营养不良在内的遗传性眼病及其它组织疾病的分子遗传学研究取得了重大进展。目前确定的与角膜营养不良相关的染色体有[2]：1、5、9、10、12、16、17、20、21和X染色体已经确定的角膜营养不良基因有[2]：BIGH3、CHST6、K3、K12、M1S1、GSN等，此为遗传咨询、基因诊断、指导治疗奠定了基础。

1Meesmann角膜营养不良

Meesmann角膜营养不良为不完全外显的常染色体显性遗传病。典型表现为角膜上皮内出现散在的细小圆形囊泡,破裂后可引起疼痛、流泪和畏光。大部分患者视力不受影响。如反复发生上皮糜烂,可形成角膜瘢痕使视力中度减退。

K12,K3基因与Meesmann角膜营养不良中间体细丝作为上皮细胞的一类细胞骨架系

统,在抵抗外来损伤、维持上皮组织的完整性方面起重要作用。在不同类型的上皮细胞中,各由一种特定的酸性角蛋白(Ⅰ型)和一种特定的碱性或中性角蛋白(Ⅱ型)成对共同表达形成一个二聚体构成中间体细丝,其中在角膜前部上皮表达的主要为K12和K3角蛋白,且这一对角蛋白仅表达于角膜组织中,K5和K14在角膜上皮中亦有表达,但不占主要地位。由于Meesmann角膜营养不良主要影响角膜前部上皮,因此,Irvine等[2]通过研究认为K12和K3角蛋白的编码基因突变可能引起了此病,并将K12基因定位于染色体17q,K3基因定位于12q13。随后,Nishida等[3]成功得到了K12基因的外显子内含子结构,并将其定位于染色体17q12。目前已发现的K12基因突变位点有：R135T, V143L, Y429D, R135G, R135I, L140R,I426V, Q130P, M129T, K3的基因突变位点有E509K。上述突变发生于角蛋白螺旋结构起始和末端的高度保守区。突变导致氨基酸类型和性质改变,导致功能性角蛋白细胞骨架的缺乏,从而大大降低了上皮细胞和组织的机械弹性[2,4,5],受到轻度外力即可能导致上皮细胞的破裂。

2BIGH3基因与染色体5q31相关角膜营养不良

BIGH3基因,亦称为TGFBI基因。Skonier[4]首先从经过TGF-β治疗后的人肺腺癌细胞(A549)中分离得到BIGH3基因,并得到其cDNA序列,随后将此基因定位于人染色体5q31[4]。BIGH3基因表达所得产物被称为KE蛋白、beta-ig-h3等,其包含683个氨基酸,有一个氨基端的分泌信号羧氨酸和一个基端RGD序列,内部有4个140个氨基酸内部重复区。RGD序列存在于许多细胞外基质蛋白,它可调节细胞的连接和作为多种整合素的配体识别区。KE蛋白存在于各种组织中,在眼部它存在于角膜上皮细胞的外表。在兔眼的上皮细胞和基质内角膜细胞中均有所表达[5]。但目前对KE蛋白的具体功能还不清楚。BIGH3基因突变所导致的角膜营养不良有[5]：颗粒状角膜营养不良Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型,格子状角膜营养不良Ⅰ型,ⅢA型,Ⅳ型,Thiel-Behnke角膜营养不良。上述角膜营养不良均为常染色体显性遗传。

2.1 颗粒状角膜营养不良GCDⅠ型,童年发病。裂隙灯检查发现在前弹力层下有细小白点状混浊,边缘清晰,呈面包屑样,点状混浊间及角膜周边部保持清亮。电镜检查发现,细胞外的沉积物富含蛋白质,呈分散的圆点或不等边四边形。免疫组化检查发现：沉积物与beta-ig-h3的抗体起反应[5,6]。目前发现的BIGH3基因的突变位点有：R555W[7]。GCDⅡ型,又称Avellino 角膜营养不良、混合性格子-颗粒状角膜营养不良。与BIGH3基因R124H突变相关的Avellino 角膜营养不良是日本最常见的角膜基质营养不良[9]。裂隙灯检查发现,基质内环状、盘状、星形、雪花状混浊。还有线形混浊,但与LCD相比不典型。病理检查发现,角膜基质中有圆点状结晶体聚集,并有淀粉样物质存在。目前发现的BIGH3基因的突变位点有：R124H[8]。GCD Ⅲ型,又称为“真正的”Reis-Bücklers角膜营养不良、Bowman层营养不良Ⅰ型、地图状角膜营养不良。临床典型表现为混浊仅限于上皮层或上皮下。圆点状混盘状混浊,逐渐发展为中央环形或地图状。有时在深部基质可存在卫星灶。目前发现的BIGH 3基因的突变位点有：R124L[10,11]、R555Q[8]、G623D。Thiel-Behnke角膜营养不良,又称为蜂窝状角膜营养不良、Bowman层营养不良Ⅱ型。临床表现为位于前弹力层的蜂窝状混浊。对于Thiel-Behnke角膜营养不良与Reie-Bücklers角膜营养不良是否为两种不同疾病,尚有争论。Küchle[12]认为CDB 存在两种亚型：CDBⅠ和CDBⅡ。CDBⅠ为“真正的”Reis-Bücklers角膜营养不良,CDBⅡ为Thiel-Behnke角膜营养不良。目前在CDTB中所发现的BIGH3基因的突变位点为R555Q。

2.2 格子状角膜营养不良LCDⅠ型,临床表现为:基质内线形混浊,呈网格状。病理检查发现,角膜基质内有淀粉样物质沉积。目前发现的BIGH3基因的突变位点有：R124C、A546D[、P551Q、L518P[13]。LCDⅢ型和ⅢA型,发病较LCDⅠ型晚。这两型疾病临床检查可发现基质内线形混浊较LCDⅠ型明显浓厚。LCDⅢ型遗传方式为常染色体隐性遗传,淀粉样沉积物种类和致病基因目前尚未确定。LCDⅢA型为常染色体显性遗传,致病基因为BIGH3基因。除遗传方式不同外,LCDⅢA型还具有复发性上皮损害,而LCDⅢ型却不存在此种临床表现。在

LCDⅢA型中目前所发现的BIGH3基因突变位点有：P501T[14]、N622H[15]、H626R[15]、A546T[16]。LCDⅣ型,也是一种不典型的LCD。临床检查可见混浊位于深部基质。目前所发现的BIGH3基因突变位点为：L527R[18]。在LCDⅠ、ⅢA、Ⅳ型中,BIGH3基因突变可导致淀粉样物质在基质内沉积,但在除角膜以外的其它组织均无此种病理改变。

3 Fuchs角膜营养不良

3.1 迟发性FECD迟发性FECD是一种年龄相关的角膜内皮功能紊乱,最初由Fuchs[18]在1910年报道并详细描述。研究认为迟发性FECD是一种典型的FECD,且与遗传、性别、环境等因素有关。流行病学调查表明迟发性FECD具有家族遗传倾向,Rosenblum等[19]对25个家系临床资料研究分析认为其遗传模式为常染色体显性遗传,且女性发病率明显大于男性,发病年龄多见于40岁以上。然而相关的基因位点仍未完全明确。Sundin等[9]对一个迟发性FECD家系(17例患者,3位正常人)进行连锁分析将迟发性FECD基因座连锁定位于13pTel-13q12.13,这段26.4-MB区域包含了13号染色体的核仁形成区(RNR1)、着丝点以及44个未被标记的蛋白质编码基因,但是对这些基因的外显子进行PCR产物测序,均未找到突变。随后Sundin等[10]对3个迟发性FECD家系(43例患者, 33位正常人)进行连锁分析,并将迟发性FECD第2个基因座连锁定位于18q21.2-q21.32。虽然目前将迟发性FECD致病基因座连锁定位于13pTel-13q12.13和18q21.2-q21.32但是在这些基因座上还没有发现致病性基因突变。Sundin认为有3种可能的原因：(1)迟发性FECD为显性遗传,而且具有迟发性特征；(2)这种缺陷可能位于非编码区域的启动子区；(3)迟发性FECD基因突变是一种基因的缺失,这种基因的缺失通过单倍剂量不足引起显性遗传方式并伴随着一种潜在的致病性的纯合子表现型,而传统的外显子筛选方式通常不能检测出整个外显子或整个基因的缺失。

3.2 早发性FECD Magovern等[20]在1979年报道了一种罕见的FECD。其报道的一个四代遗传家系中4例患者发病年龄在12岁以下,与迟发性FECD发病年龄不同,而且患者中男女所占比例一样。随访检查发现这些患者在20~30岁时出现弥漫性角膜水肿和角膜混浊。2001年Biswas等对一早发性FECD家系进行遗传学分析。微卫星标记物连锁分析发现D1S2830两点优势对数评分最高,为3.72(θmax=0.00),全基因扫描将该病基因座连锁定位于1号染色体上的7cM区域(1p3

4.3-p32),并发现该区域中编码Ⅷ胶原纤维的COL8A2基因是一个重要的候选基因。对COL8A2所有外显子进行筛查发现一个错义突变(Gln455Lys),且与疾病表现型共分离。Gottsch等[21]对Magovern在1979年所报道的早发性FECD家系分析,同样将该病的基因座连锁定位于1p34. 3-p32,对该区域的COL8A2基因筛查发现一个新的突变(Leu450Trp)。随后Mok等[21], Liskova等[22]也在早发性FECD家系COL8A2基因中发现突变。进一步证实COL8A2是引起早发性FECD的重要致病基因。1991年Muragaki利用杂交技术将COL8A2定位于1号染色体,并证实位于这个关键区域。COL8A2含有两个外显子,编码Ⅷ胶原纤维。Ⅷ胶原纤维是一种含703个氨基酸的短链胶原,是角膜后弹力层的重要组成部分。Ⅷ胶原纤维是后弹力层的重要组成部分,那么编码该胶原的COL8A2基因突变是否会引起迟发性FECD，Biswas等[22]在典型的迟发性FECD患者中发现了3个突变(Arg155Gln, Arg304Gln, Arg434His)。Arg155Gln突变出现在1个家系(3例患者), 2个散发病例中, Arg304Gln,Arg434His只出现在散发病例中,而对照组中150位正常人没有出现以上3个突变,因此Biswas认为这3个突变都是致病性突变。Kobayashi等[23]研究发现：15例患者中3例出现Arg155Gln突变,但是正常对照组中也有6.9%出现该突变。因此认为Arg155Gln突变不是迟发性FECD的致病基因,而是一种多态现象。此外在Biswas等[22]研究中, 115例患者只有1例出现Arg304Gln突变,而在Gottsch等[24]及Kobayashi等[25]所研究的迟发性FECD患者中并没有出现该突变,因此Arg304Gln突变最有可能是一种罕见的多态现象。Anthony等[26]在2例患者中发现了Arg434His突变,但是这种突变体等位基因是遗传于正常的父母,Arg434His 突变同样可能是一种非致病性的多态现象。关于COL8A2是否是迟发性FECD的致病基因,

仍需要大量的遗传学研究。目前对于COL8A2的致病机制目前尚未明确,Gottsch等[27]认为:在细胞外基质中,COL8A2突变体蛋白与其它分子发生异常的相互作用,导致后弹力层结构紊乱并挤压异常的胶原引起角膜滴状赘疣的形成。而不规则的基底膜分割和延伸内皮细胞,影响内皮细胞转运电解质的功能破坏角膜的透明性。

4 斑状角膜营养不良

斑状角膜营养不良(亦称GroenouwⅡ型)为常染色体隐性遗传。10岁前即可发病,早期表现为角膜中央前实质层边界不清的浅灰色斑块状致密混浊。此后逐渐向周边及实质深层扩展,且其间角膜基质渐呈云雾状混浊。临床表现为进行性视力丧失、畏光和眼表不适感,最终需要角膜移植。

CHST6基因与MCD一些蛋白聚糖通过结合于角膜实质层胶原纤维上的特殊位点,使胶原纤维能够规则地排列。这些蛋白聚糖的糖胺聚糖部分（硫酸角质素或硫酸软骨-皮肤素）被认为对胶原纤维的空间排列起了关键作用。Lewis等通过透射电镜下对MCDⅠ型和正常角膜中KCS的免疫组化定量分析后认为KCS链的未硫酸化是导致角膜出现混浊的根本原因。Plaas等[27]用荧光辅助糖类电泳法对正常角膜和MCDⅠ、Ⅱ型病变角膜进行了KCS、C/DS分子结构和含量的分析,发现角膜细胞特异性的大范围蛋白聚糖和糖胺聚糖重构发生于MCD角膜实质层基质中,认为其中C/DS和透明质酸的异常累积是对细胞外基质中KCS 不足的代谢反应,因此角膜浑浊可能不仅仅由于KCS的不足,推测其他GAGs的异常沉积亦可能干扰胶原纤维的正常排列。MCD角膜中N-乙酰葡萄糖胺-6-转磺酶活性降低[18,19]。该酶催化角膜中KCS的硫酸化。位于染色体16q22上的CHST6基因编码这一酶。在MCDⅠ和Ⅰa 中,错义、缺失、插入、移码突变发生于CHST6的编码区,导致合成的产物酶失活。在MCD Ⅱ型中,大片的缺失和(或)同源重排突变发生于CHST6的上游调控序列[20,21],影响其转录,从而使CHST6基因角膜中表达缺失。硫酸化的减少使KCS链转录提前终止。亦有报道未发现MCDⅡ中CHST6上游序列的大片缺失或重排突变,而仅发现类似于MCDⅠ型编码区的基因突变[22,23]。目前国外已报道有近百种不同的MCD患者CHST6基因突变方式,体现了其突变的高度异质性[24,25]。其中报道相对较多的突变类型有：L200R[18,21,22], R211W, R211Q, R140X[18,23],C102G等。MCDⅠ型与Ⅱ型可发生于同一家系中。

5 其它角膜营养不良的研究进展

中央结晶状角膜营养不良,又称Schnyder结晶状角膜营养不良。此病基因定位于染色体1p36-34·1[28],在DIS2663与DIS228之间。目前,此病基因尚未找到,B120基因是侯选基因,其表达产物与脂类的运输和代谢有关[29]。

先天性遗传性角膜内皮营养不良,为常染色体显性或隐性疾病。常染色体显性型病情呈缓慢进行性发展,在出生头两年里可出现畏光、流泪。常染色体隐性型在出生时或出生短时间后临床表现明显,病情无进行性发展[30]。CHED2有眼球震颤,而CHED1无此临床表现。CHED1致病基因定位于第20号染色体的着丝点周围区(20p11·2-q11·2)[31],这一区域与后部多形性角膜内皮营养不良的致病基因发生重叠。CHED2的致病基因定位于20号染色体的端粒区。

后部多形性角膜内皮营养不良,多为常染色体显性遗传,少数为常染色体隐性遗传。其致病基因被定位于20号染色体的着丝点周围区(20q11),此区域与CHED1致病基因相同[51];同时,与PPCD患者有血缘关系的人中发现了CHED1,这说明这两种疾病存在相关性。

6 前景和展望

关于角膜营养不良发生的分子遗传学机制,目前已取得显著进展且处于不断进步中。对于其基因的研究不仅是诊治的需要,而且对于了解正常的角膜发育机制具有十分重要意义。随着分子遗传学研究技术进一步发展以及人类基因组计划的顺利进行,更多类型的角膜营养不良及其它遗传性眼病的致病基因将会被确定。以往对角膜营养不良的诊断主要依靠临床表

现、裂隙灯检查、组织病理学检查等,而随着角膜营养不良等遗传性疾病的分子遗传学研究进展,更为准确的诊断方法—基因诊断将会成为常规的检查方法,这可帮助临床医生做出

更为精确的诊断。通过基因检测,可明确遗传性角膜营养不良的临床诊断,并可通过产前检查降低疾病的发生率,指导优生优育。

今后将进一步对角膜营养不良的完整发病机理和各类基因突变的确定以及对基因表达产物功能的研究,人们可从分子遗传学本质了解引起此类疾病的机制,从而得到更好的治疗方法,基因治疗也成为可能，这使临床医生在手术治疗之外有了新的选择。

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论文题目：遗传性角膜营养不良遗传学研究进展Advance in the Research of Hereditary Corneal

Dystrophy

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