【眼科遺傳病】PAX6在眼科基因解碼、基因檢測中的重要性
佳學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。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、白內障和角膜混濁的特征。Pax6與其他Pax基因一起從小鼠表達文庫中分離出來。同時，該基因又采用基因解碼技術中的位置克隆中技術再次確認，并在人無虹膜癥患者發(fā)現(xiàn)缺失。同時對Sey等位基因的分析證實了Pax6和半顯性Sey之間的因果關系。
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。外顯子聯(lián)合會（ExAC）用單倍不充分性量化了這一性質），PAX6的功能喪失不耐受評分pLI為1.00。PAX6單倍體不足導致無虹膜，整個基因復制會導致非無虹膜眼畸形。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的結構與結構
PAX6是一種高度保守的轉錄因子，對控制眼和神經(jīng)發(fā)育至關重要。除了協(xié)調發(fā)育中的眼睛外，它還表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和胰腺，以及角膜、大腦和胰腺等參與體內平衡的成人組織。
典型的人類PAX6編碼422個氨基酸，46.7kDa蛋白質。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個殘基，由第5a外顯子編碼（圖3a）。PAX6包含兩個DNA結合結構域，二分體配對結構域（圖3b）和同源結構域，以及富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的C末端反式激活結構域。配對域和同源域可以相互合作和獨立地與DNA結合，擴大了目標的范圍（Jun和Desplan，1996）。第三種亞型是由一個額外的內部啟動子產(chǎn)生的（Carrière等人。1995年；Kim和Lauderdale，2006年），這種亞型及其他可能產(chǎn)生的轉錄本亞型，仍然是基因解碼正在關注的問題。
PAX6在細胞內主要定位在細胞核內。通過基因解碼已在成對結構域和同源結構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)細胞和內核層是核定位，在感光細胞和外核層是細胞質內定位（Shin等。2003），這說明PAX6參與細胞內的多種生物學過程。在鵪鶉和線蟲中，成對結構域不存在的形式定位在細胞質中。在小鼠大腦中，SPARC和Pax6存在相同的位置，并且實際上存在相互作用用。基因解碼認為SPARC促進Pax6核胞質穿梭，這一作用也被證明在Karyopherin 13中。
在PAX6（5a）中，成對結構域的α螺旋2和3之間的額外14個氨基酸調節(jié)其結合和反式激活能力，優(yōu)先結合采用C-末端結構域與DNA結合，充當分子開關。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轉錄本也可能具有調控作用，正在進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結合域來增加其調控目標分子的目標多樣性。此外，通過與其他轉錄因子（如SOX2）的合作結合來實現(xiàn)微調。Pax6的在虹膜 發(fā)育過程中的靶點包括轉錄因子例如，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）。當這些PAX6靶基因在人類中突變時，會形成不同的眼部特征：SIX3的錯義突變導致小眼畸形、結腸瘤和無前腦畸形（MIM#157170）；FOXC1突變導致前段發(fā)育不全（MIM#601631），αA-晶體蛋白（CRYAA）突變導致白內障（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在細胞內主要定位在細胞核內。通過基因解碼已在成對結構域和同源結構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)細胞和內核層是核定位，在感光細胞和外核層是細胞質內定位（Shin等。2003），這說明PAX6參與細胞內的多種生物學過程。在鵪鶉和線蟲中，成對結構域不存在的形式定位在細胞質中。在小鼠大腦中，SPARC和Pax6存在相同的位置，并且實際上存在相互作用用。基因解碼認為SPARC促進Pax6核胞質穿梭，這一作用也被證明在Karyopherin 13中。
在PAX6（5a）中，成對結構域的α螺旋2和3之間的額外14個氨基酸調節(jié)其結合和反式激活能力，優(yōu)先結合采用C-末端結構域與DNA結合，充當分子開關。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轉錄本也可能具有調控作用，正在進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結合域來增加其調控目標分子的目標多樣性。此外，通過與其他轉錄因子（如SOX2）的合作結合來實現(xiàn)微調。Pax6的在虹膜 發(fā)育過程中的靶點包括轉錄因子例如，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）。當這些PAX6靶基因在人類中突變時，會形成不同的眼部特征：SIX3的錯義突變導致小眼畸形、結腸瘤和無前腦畸形（MIM#157170）；FOXC1突變導致前段發(fā)育不全（MIM#601631），αA-晶體蛋白（CRYAA）突變導致白內障（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基因的調控網(wǎng)絡。一個漂亮的例子是Pax6和Pax2之間的相互抑制確立哺乳動物中的視網(wǎng)膜視神經(jīng)邊界。PAX2突變導致人類乳頭狀腎綜合征（MIM#120330）。賊近，基因解碼中的染色質共沉淀技術揭示Pax6作為眼球透鏡分化網(wǎng)絡的一部分直接調節(jié)Prox1和MAB211L1。
PAX6的轉錄激活需要順式調節(jié)元件的協(xié)同作用，這些調節(jié)元件大多在哺乳動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，報告了472個獨特的序列變體（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，沒有一個蛋白質結構域幸免。十個賊常見的無虹膜變體在圖3中有標記。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
賊常見的基因內變異是通過單核苷酸替換編碼的，導致過早終止密碼子（PTC），其中p.Arg240*、p.Arg317*和p.Arg203*是三個賊常見的報告（LOVD數(shù)據(jù)庫中的129個報告）；這些變異的hospot對應于CpG二核苷酸（Tzulaki等人。2005年）。移碼插入、缺失和復制，以及許多剪接位點突變，也屬于這類可能的基因破壞性變異。預測賊后一個編碼外顯子-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斷突變（Tzoulaki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義變體（Hingorani等人。2009年）。
錯義變體
PAX6的錯義突變，可能導致結構和功能改變的全長蛋白質的產(chǎn)生（Mishra等人。2002年），從而導致經(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個伴有或不伴有中央凹發(fā)育不全和白內障的先天性角膜混濁的日本家族（至少3個無關家族）中，PAX6（5a）亞型中還發(fā)現(xiàn)了兩個錯義變異序列：p.5aGlu13Arg（1例）（Nanjo等人。2004年），其余的是p.5aVal7asp，功能研究表明PAX6（5a）在結合和反式激活方面有細微的變化（Azuma等人。1999年）。數(shù)據(jù)庫中許多錯義變異序列（除了許多剪接位點和閱讀框內缺失）編碼的蛋白質的結構和功能尚未通過實驗確定。與大多數(shù)PTC不同，錯義突變對患者的表型的影響取決于它們在蛋白質中的位置。例如，PAX6的C末端氨基酸的錯義突變損害了通過同源結構域介導的反式激活（Singh等人。2001年）。
C末端擴展
預測會導致C-末端延伸的移碼重復和替換是非常常見的（34個數(shù)據(jù)庫報告；圖3），一些突變是導致滲出性視網(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)的基因缺少導致的WAGR綜合征。
雙等位基因突變
破壞PAX6順式調控的變異序列
通過對無虹膜患者易位和倒位斷點的分析，基因解碼明確了幾個破壞PAX6遠距離調節(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，這是一個自我調節(jié)結合位點。在這個元件發(fā)生基因序列突變，會破壞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?；蚪獯a技術在5名無虹膜患者中，發(fā)現(xiàn)了缺失包括可能參與調控的區(qū)域，并提出了一個跨越244kb的轉錄激活“關鍵區(qū)域”。
雙等位基因突變
PAX6中的雙等位基因突變和兩個可能的基因破壞性等位基因可導致嚴重的中樞神經(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21三體的存活的復合雜合子兒童中報告了同樣嚴重的眼部表型（Solomon等人。2009年）。兩個可以存活的復合雜合子家族發(fā)現(xiàn)無虹膜或缺損，但沒有嚴重的系統(tǒng)性影響。基因解碼分析患者體內存在一個可能的基因破壞性突變和一個低形態(tài)錯義等位基因的復合雜合突變。
其他形式的PAX6相關眼病
與PAX6突變相關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，有時獨立存在，有時是與其他特征聯(lián)合出現(xiàn)，這包括白內障、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)生在其他兩個前段疾病基因的突變。其中包括兩例PITX2突變，一例為基因內突變（Perveen et al。2000年）和一個末端調節(jié)突變（Ansari等人。2016年）和7例FOXC1突變。后者中有三例是錯義病例（Ito等人。2009年；Ansari等人。2016），四個是全基因缺失（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相關的無虹膜癥中比PAX6相關無虹膜癥更常見。
基因解碼研究過程中記錄了一個無虹膜家系，在11p13上，與PAX6相距約4mb的TRIM44中有一個具有性狀分離特點的錯義突變。因為，只有一個案例報道，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）。我們估計嘗未進行致病基因鑒定的經(jīng)典無虹膜病例約占5%。
(責任編輯：佳學基因)
