【眼科遺傳病】PAX6在眼科基因解碼、基因檢測中的重要性
佳學(xué)基因解碼揭示典型型無虹膜與PAX6基因的雜合子缺失突變密切相關(guān)。PAX6的全稱是是PAIRED-BOX 6, 在OMIM中的編號是607108，定位于11號染色體的31784792到31811353之間。
基因解碼技術(shù)中比較定位數(shù)據(jù)表明，人類無虹膜與小鼠的Sey表型是類似的。Sey是雜合型小眼畸形鼠模型，后來又顯示出虹膜發(fā)育不全、白內(nèi)障和角膜混濁的特征。Pax6與其他Pax基因一起從小鼠表達(dá)文庫中分離出來。同時(shí)，該基因又采用基因解碼技術(shù)中的位置克隆中技術(shù)再次確認(rèn)，并在人無虹膜癥患者發(fā)現(xiàn)缺失。同時(shí)對Sey等位基因的分析證實(shí)了Pax6和半顯性Sey之間的因果關(guān)系。
通過基因解碼確立人類PAX6突變與半顯性Sey之間的聯(lián)系過程中也揭示了該基因的劑量效應(yīng)。外顯子聯(lián)合會(huì)（ExAC）用單倍不充分性量化了這一性質(zhì)），PAX6的功能喪失不耐受評分pLI為1.00。PAX6單倍體不足導(dǎo)致無虹膜，整個(gè)基因復(fù)制會(huì)導(dǎo)致非無虹膜眼畸形。純合性功能喪在人和小鼠中都是圍產(chǎn)期致死基因。
基因解碼PAX6的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)
PAX6是一種高度保守的轉(zhuǎn)錄因子，對控制眼和神經(jīng)發(fā)育至關(guān)重要。除了協(xié)調(diào)發(fā)育中的眼睛外，它還表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和胰腺，以及角膜、大腦和胰腺等參與體內(nèi)平衡的成人組織。
典型的人類PAX6編碼422個(gè)氨基酸，46.7kDa蛋白質(zhì)。而不太豐富的，選擇性剪接的PAX6（5a）亞型（436氨基酸，48.2kDa，UniProt P26367-2）在Gln47和Val48之間含有額外的14個(gè)殘基，由第5a外顯子編碼（圖3a）。PAX6包含兩個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，二分體配對結(jié)構(gòu)域（圖3b）和同源結(jié)構(gòu)域，以及富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的C末端反式激活結(jié)構(gòu)域。配對域和同源域可以相互合作和獨(dú)立地與DNA結(jié)合，擴(kuò)大了目標(biāo)的范圍（Jun和Desplan，1996）。第三種亞型是由一個(gè)額外的內(nèi)部啟動(dòng)子產(chǎn)生的（Carrière等人。1995年；Kim和Lauderdale，2006年），這種亞型及其他可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本亞型，仍然是基因解碼正在關(guān)注的問題。
PAX6在細(xì)胞內(nèi)主要定位在細(xì)胞核內(nèi)。通過基因解碼已在成對結(jié)構(gòu)域和同源結(jié)構(gòu)域附近明確核定位信號。不過，PAX6也存在非核定位現(xiàn)象。在雞視網(wǎng)膜中，PAX6在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和內(nèi)核層是核定位，在感光細(xì)胞和外核層是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)定位（Shin等。2003），這說明PAX6參與細(xì)胞內(nèi)的多種生物學(xué)過程。在鵪鶉和線蟲中，成對結(jié)構(gòu)域不存在的形式定位在細(xì)胞質(zhì)中。在小鼠大腦中，SPARC和Pax6存在相同的位置，并且實(shí)際上存在相互作用用?；蚪獯a認(rèn)為SPARC促進(jìn)Pax6核胞質(zhì)穿梭，這一作用也被證明在Karyopherin 13中。
在PAX6（5a）中，成對結(jié)構(gòu)域的α螺旋2和3之間的額外14個(gè)氨基酸調(diào)節(jié)其結(jié)合和反式激活能力，優(yōu)先結(jié)合采用C-末端結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合，充當(dāng)分子開關(guān)。成人PAX6（5a）與典型PAX6的比值高于胚胎組織，PAX6（5a）亞型在產(chǎn)后眼部發(fā)育中具有潛在作用。目前其他PAX6轉(zhuǎn)錄本也可能具有調(diào)控作用，正在進(jìn)行深一步的基因解碼。
因此，PAX6能夠通過選擇性剪接以及通過使用不同的DNA結(jié)合域來增加其調(diào)控目標(biāo)分子的目標(biāo)多樣性。此外，通過與其他轉(zhuǎn)錄因子（如SOX2）的合作結(jié)合來實(shí)現(xiàn)微調(diào)。Pax6的在虹膜 發(fā)育過程中的靶點(diǎn)包括轉(zhuǎn)錄因子例如，Six3和Foxc1，信號分子（如Wnt）和晶體蛋白[如αA-晶體蛋白（Cvekl等人。1994年）。當(dāng)這些PAX6靶基因在人類中突變時(shí)，會(huì)形成不同的眼部特征：SIX3的錯(cuò)義突變導(dǎo)致小眼畸形、結(jié)腸瘤和無前腦畸形（MIM#157170）；FOXC1突變導(dǎo)致前段發(fā)育不全（MIM#601631），αA-晶體蛋白（CRYAA）突變導(dǎo)致白內(nèi)障（MIM#604219）。同樣，SOX2、BMP4和MAB21L2的雜合子突變與綜合征性小眼畸形（分別為MIM#206900、#607932）。
PAX6在細(xì)胞內(nèi)主要定位在細(xì)胞核內(nèi)。通過基因解碼已在成對結(jié)構(gòu)域和同源結(jié)構(gòu)域附近明確核定位信號。不過，PAX6也存在非核定位現(xiàn)象。在雞視網(wǎng)膜中，PAX6在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和內(nèi)核層是核定位，在感光細(xì)胞和外核層是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)定位（Shin等。2003），這說明PAX6參與細(xì)胞內(nèi)的多種生物學(xué)過程。在鵪鶉和線蟲中，成對結(jié)構(gòu)域不存在的形式定位在細(xì)胞質(zhì)中。在小鼠大腦中，SPARC和Pax6存在相同的位置，并且實(shí)際上存在相互作用用?；蚪獯a認(rèn)為SPARC促進(jìn)Pax6核胞質(zhì)穿梭，這一作用也被證明在Karyopherin 13中。
在PAX6（5a）中，成對結(jié)構(gòu)域的α螺旋2和3之間的額外14個(gè)氨基酸調(diào)節(jié)其結(jié)合和反式激活能力，優(yōu)先結(jié)合采用C-末端結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合，充當(dāng)分子開關(guān)。成人PAX6（5a）與典型PAX6的比值高于胚胎組織，PAX6（5a）亞型在產(chǎn)后眼部發(fā)育中具有潛在作用。目前其他PAX6轉(zhuǎn)錄本也可能具有調(diào)控作用，正在進(jìn)行深一步的基因解碼。
因此，PAX6能夠通過選擇性剪接以及通過使用不同的DNA結(jié)合域來增加其調(diào)控目標(biāo)分子的目標(biāo)多樣性。此外，通過與其他轉(zhuǎn)錄因子（如SOX2）的合作結(jié)合來實(shí)現(xiàn)微調(diào)。Pax6的在虹膜 發(fā)育過程中的靶點(diǎn)包括轉(zhuǎn)錄因子例如，Six3和Foxc1，信號分子（如Wnt）和晶體蛋白[如αA-晶體蛋白（Cvekl等人。1994年）。當(dāng)這些PAX6靶基因在人類中突變時(shí)，會(huì)形成不同的眼部特征：SIX3的錯(cuò)義突變導(dǎo)致小眼畸形、結(jié)腸瘤和無前腦畸形（MIM#157170）；FOXC1突變導(dǎo)致前段發(fā)育不全（MIM#601631），αA-晶體蛋白（CRYAA）突變導(dǎo)致白內(nèi)障（MIM#604219）。同樣，SOX2、BMP4和MAB21L2的雜合子突變與綜合征性小眼畸形（分別為MIM#206900、#607932）。
基因解碼已經(jīng)描述了一些PAX6基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)漂亮的例子是Pax6和Pax2之間的相互抑制確立哺乳動(dòng)物中的視網(wǎng)膜視神經(jīng)邊界。PAX2突變導(dǎo)致人類乳頭狀腎綜合征（MIM#120330）。賊近，基因解碼中的染色質(zhì)共沉淀技術(shù)揭示Pax6作為眼球透鏡分化網(wǎng)絡(luò)的一部分直接調(diào)節(jié)Prox1和MAB211L1。
PAX6的轉(zhuǎn)錄激活需要順式調(diào)節(jié)元件的協(xié)同作用，這些調(diào)節(jié)元件大多在哺乳動(dòng)物和斑馬魚之間保守。而這些賊初是在人類易位的染色體異位病例中首先明確的。
PAX6突變譜
反映了破壞PAX6功能的多種可能方式，報(bào)告了472個(gè)獨(dú)特的序列變體（LOVD PAX6數(shù)據(jù)庫，版本170616，http://lsdb.hgu.mrc.ac.uk/home.php？選擇_db=PAX6）。所有種類的序列變異都存在，沒有一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域幸免。十個(gè)賊常見的無虹膜變體在圖3中有標(biāo)記。而表型特征從輕度虹膜發(fā)育不全到圍產(chǎn)期致死率。
單等位基因突變
可能的基因破壞性變體
賊常見的基因內(nèi)變異是通過單核苷酸替換編碼的，導(dǎo)致過早終止密碼子（PTC），其中p.Arg240*、p.Arg317*和p.Arg203*是三個(gè)賊常見的報(bào)告（LOVD數(shù)據(jù)庫中的129個(gè)報(bào)告）；這些變異的hospot對應(yīng)于CpG二核苷酸（Tzulaki等人。2005年）。移碼插入、缺失和復(fù)制，以及許多剪接位點(diǎn)突變，也屬于這類可能的基因破壞性變異。預(yù)測賊后一個(gè)編碼外顯子-外顯子連接上游的PTCs > 50–55核苷酸將受到無義介導(dǎo)衰變（NMD）的影響。盡管這一NMD規(guī)則可能有例外（Isken和Maquat 2007；Kervestin和Jacobson 2012），但人類表型缺失等位基因的已知截?cái)嗤蛔儯═zoulaki等人。2005年）。除了上述經(jīng)典無虹膜表型外，一些可能的基因破壞性變體似乎是低形態(tài)的，盡管較溫和的表型似乎更常見于錯(cuò)義變體（Hingorani等人。2009年）。
錯(cuò)義變體
PAX6的錯(cuò)義突變，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能改變的全長蛋白質(zhì)的產(chǎn)生（Mishra等人。2002年），從而導(dǎo)致經(jīng)典無虹膜和非經(jīng)典表型，征狀包括視神經(jīng)異常（Nallathambi等人。2006年），變形表型，如異位瞳孔（Hanson等人。1999年）和更嚴(yán)重的小眼畸形（Williamson和FitzPatrick，2014年；Chassaing等人。2014年）。除了典型的PAX6外，在5個(gè)伴有或不伴有中央凹發(fā)育不全和白內(nèi)障的先天性角膜混濁的日本家族（至少3個(gè)無關(guān)家族）中，PAX6（5a）亞型中還發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)錯(cuò)義變異序列：p.5aGlu13Arg（1例）（Nanjo等人。2004年），其余的是p.5aVal7asp，功能研究表明PAX6（5a）在結(jié)合和反式激活方面有細(xì)微的變化（Azuma等人。1999年）。數(shù)據(jù)庫中許多錯(cuò)義變異序列（除了許多剪接位點(diǎn)和閱讀框內(nèi)缺失）編碼的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能尚未通過實(shí)驗(yàn)確定。與大多數(shù)PTC不同，錯(cuò)義突變對患者的表型的影響取決于它們在蛋白質(zhì)中的位置。例如，PAX6的C末端氨基酸的錯(cuò)義突變損害了通過同源結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)的反式激活（Singh等人。2001年）。
C末端擴(kuò)展
預(yù)測會(huì)導(dǎo)致C-末端延伸的移碼重復(fù)和替換是非常常見的（34個(gè)數(shù)據(jù)庫報(bào)告；圖3），一些突變是導(dǎo)致滲出性視網(wǎng)膜病變等疾病表征的基因原因（Hingorani等人。2009年）。
較大的缺失和染色體重排
染色體重排和全部或部分基因缺失，從而破壞PAX6的功能是三分之一的散發(fā)性無虹膜病例的發(fā)病原因，也見于一些家族病例（Crolla和van Heyningen，2002年），因此，總的來說，這些約占所有無虹膜病例的10%（Robinson等人。2008年；Bobilev等人。2015年）。下面討論連續(xù)的基因缺少導(dǎo)致的WAGR綜合征。
雙等位基因突變
破壞PAX6順式調(diào)控的變異序列
通過對無虹膜患者易位和倒位斷點(diǎn)的分析，基因解碼明確了幾個(gè)破壞PAX6遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)的致病等位基因。它們分別位于PAX6下游序列的11kb和22kb（Lauderdale等人。2000年），125 kb和150 kb處，這些序列被稱為SIMO元件。對SIMO元件的分析表明，這是一個(gè)自我調(diào)節(jié)結(jié)合位點(diǎn)。在這個(gè)元件發(fā)生基因序列突變，會(huì)破壞PAX6的維持，產(chǎn)生PAX6雜合子缺失或PTC相同的疾病表征。PAX6調(diào)節(jié)區(qū)的突變現(xiàn)在更容易通過基于陣列的比較基因組雜交檢測到。基因解碼技術(shù)在5名無虹膜患者中，發(fā)現(xiàn)了缺失包括可能參與調(diào)控的區(qū)域，并提出了一個(gè)跨越244kb的轉(zhuǎn)錄激活“關(guān)鍵區(qū)域”。
雙等位基因突變
PAX6中的雙等位基因突變和兩個(gè)可能的基因破壞性等位基因可導(dǎo)致嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，伴有無眼癥和圍產(chǎn)兒致死（Glaser等人。1994年；Schmidt Sidor等人。2009年）。在一個(gè)21三體的存活的復(fù)合雜合子兒童中報(bào)告了同樣嚴(yán)重的眼部表型（Solomon等人。2009年）。兩個(gè)可以存活的復(fù)合雜合子家族發(fā)現(xiàn)無虹膜或缺損，但沒有嚴(yán)重的系統(tǒng)性影響。基因解碼分析患者體內(nèi)存在一個(gè)可能的基因破壞性突變和一個(gè)低形態(tài)錯(cuò)義等位基因的復(fù)合雜合突變。
其他形式的PAX6相關(guān)眼病
與PAX6突變相關(guān)的明顯表型包括彼得斯異常和其他前節(jié)段發(fā)育異常（Prokudin等人。2014年），眼缺損和小眼畸形，視神經(jīng)異常，瞳孔異位和眼球震顫等。常見的是經(jīng)典無虹膜癥的非虹膜特征，有時(shí)獨(dú)立存在，有時(shí)是與其他特征聯(lián)合出現(xiàn)，這包括白內(nèi)障、中央凹發(fā)育不全、青光眼和角膜病變（Sale等人。2002年；Hever等人。2006年）。這些表征中的大多數(shù)可以被認(rèn)為是經(jīng)典無虹膜癥的不同表現(xiàn)形式。
經(jīng)典無虹膜癥的遺傳鑒別診斷
雖然經(jīng)典的無虹膜病仍然被認(rèn)為是一種單基因疾病，但有無虹膜樣疾病特征發(fā)生在其他兩個(gè)前段疾病基因的突變。其中包括兩例PITX2突變，一例為基因內(nèi)突變（Perveen et al。2000年）和一個(gè)末端調(diào)節(jié)突變（Ansari等人。2016年）和7例FOXC1突變。后者中有三例是錯(cuò)義病例（Ito等人。2009年；Ansari等人。2016），四個(gè)是全基因缺失（Sadagopan等人。2015年；Ansari等人。2016年）。在這9例無虹膜的病例中，7例已知為先天性青光眼（1例未知），其中許多表現(xiàn)在嬰兒期牛眼癥，提示這在FOXC1相關(guān)的無虹膜癥中比PAX6相關(guān)無虹膜癥更常見。
基因解碼研究過程中記錄了一個(gè)無虹膜家系，在11p13上，與PAX6相距約4mb的TRIM44中有一個(gè)具有性狀分離特點(diǎn)的錯(cuò)義突變。因?yàn)椋挥幸粋€(gè)案例報(bào)道，而且僅有體外功能數(shù)據(jù)支持的單一系譜。還有一些無虹膜癥患者未發(fā)現(xiàn)有明確的致病基因，基因解碼研究人員仍在不斷努力中。
在對42例PAX6陰性無虹膜病例進(jìn)行陣列CGH（比較基因組雜交）分析后，確定了上述一些病例（Ansari等人。2016年），但還有27/42的不明病例。Gillespie綜合征病例已顯示有ITPR1突變（McEntagart等人。2016年；Gerber等人。2016年）。我們估計(jì)嘗未進(jìn)行致病基因鑒定的經(jīng)典無虹膜病例約占5%。
(責(zé)任編輯：佳學(xué)基因)
