SCCD的發病機理及其致病基因UBIAD1的功能研究進展

蘇振宏，黃玉迪，張軍林，陶俊峰，袁 超，解舉民

0引言

施奈德結晶狀角膜營養不良(Schnyder crystalline corneal dystrophy，SCCD，MIM 121800)是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，患者雙眼角膜隨年齡增長逐漸混濁化，導致視力衰退，最終喪失視力，SCCD在男女中患病幾率均等，發病原因為眼角膜中膽固醇和磷脂的異常積累[1]。SCCD的分子基礎為1號染色體短臂3區6帶的UBIAD1基因突變[2-3]，該基因編碼一個含有338個氨基酸的蛋白質，分子量為36.8kDa，含有一個異戊烯轉移酶結構域(aa：58-333)。UBIAD1基因又被稱為移行上皮反應基因(transitional epithelial response gene，TERE1)[4-5]。現已證實，UBIAD1突變可以導致SCCD的發生[2-3]，但是致病的分子機制尚不清楚。日本學者證明UBIAD1是一種存在于人體內的4-甲基萘醌合成酶[6]，參與細胞中脂質代謝。Fredericks等[7]將UBIAD1(TERE1)導入HEK293細胞和膀胱癌細胞，發現細胞中膽固醇的積累量增長了30%，而且在人膀胱移行細胞癌J82細胞中，UBIAD1的表達量下調了1/3，證實UBIAD1與細胞內的膽固醇代謝密切相關。SCCD的臨床表現為角膜中膽固醇與磷脂的異常積累[1]。UBIAD1基因突變后導致了SCCD的發生，且SCCD是一種連續性發展的疾病，隨著年齡的增長，脂質在角膜處積累逐漸增多，導致角膜混濁化，視力衰退。本文旨在系統、全面地綜述SCCD致病基因UBIAD1的突變與疾病發生的關系，并通過UBIAD1基因的功能分析其突變后導致SCCD發生的分子機制。

表1 UBIAD1基因突變導致SCCD的位點

序號突變位點突變類型參考文獻175Ser-Phe[2]297Ala-Thr[21]、[26]398#Gly-Ser[13]4102?#Asn-Ser[2]、[3]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]5103Thr-Ile[26]、[27]6112Asp-Gly[2]7112Asp-Asn[21]、[25]、[28]8118Asp-Gly[19]9119Arg-Gly[2]、[18]10120Thr-Arg[28]11121Leu-Phe[18]、[19]、[23]、[26]12121Leu-Val[21]13122Val-Glu[21]14122Val-Gly[21]15171#Ser-Pro[19]、[20]、[21]16174Tyr-Cys[19]、[21]17175Thr-Ile[2]、[3]、[19]、[21]18176Gly-Glu[26]19177Gly-Arg[3]、[21]20177Gly-Glu[25]、[29]21181Lys-Arg[19]22186Gly-Arg[19]23188Leu-His[21]24190Ile-Thr[30]25232Asn-Ser[2]、[21]26233Asn-His[19]、[21]27236Asp-Glu[3]、[19]、[21]28240Asp-Asn[22]

注：#：中國人群中發現的UBIAD1突變; *：UBIAD1突變熱點。

1 SCCD的臨床表現

SCCD是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，其發病特點為連續性雙眼角膜混濁化，原因為膽固醇、磷脂等在角膜中異常積累。大部分SCCD患者血脂、脂蛋白和膽固醇含量異常，但是角膜逐漸混濁化和結晶化與血脂并沒有直接關系[8]。臨床檢測發現約54% SCCD患者角膜中會出現結晶狀沉淀，其余46% SCCD患者并沒有檢測到角膜結晶狀沉淀，所以國際命名委員會應Weiss等眼科學家的要求將SCCD重新命名為SCD(Schnyder corneal dystrophy,SCD)[9-11](為避免混淆，本文統一描述為SCCD)。

SCCD的臨床表現根據發病年齡可以劃分為3個階段[8]：(1)26歲及以下，表現為在角膜基質上皮下中央位置出現結晶狀沉淀；(2)27～39歲，表現為結晶狀沉積不斷積累，并出現薄霧化；(3)40歲及以上，表現為隨著年齡的增長，結晶化程度不斷加重，導致整個角膜混濁化。根據角膜中結晶狀沉淀的積累推知該病隨年齡的增長呈連續性發展，導致視力逐漸缺失，最終失明。約4% SCCD患者會伴有膝外翻或叉型腿等表型[1，8，12-13]。SCCD患者主要通過穿透性角膜移植(penetrating keratoplasty，PKP)和光治療性角膜切削術(phototherapeutic keratectomy，PTK)兩種方法治療，恢復部分視力[8]。通過化學方法檢測SCCD患者手術移除的眼角膜中膽固醇的含量發現，膽固醇含量增加了10倍，磷脂含量增加了5倍，高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)中的載脂蛋白異常積累[14]。

2 SCCD發生的分子基礎

SCCD最早由法國眼科醫師Van Went和Wibaut于1924年報道，他們在1個家族中發現8例患者雙眼角膜均出現混濁化[15]。1927年、1929年、1939年瑞士眼科醫生Schnyder先后闡明本病的臨床表現與遺傳特性，故此病被稱為施奈德結晶狀角膜營養不良[16-17]。直至2007年，該疾病的分子基礎才被Orr等[2]、Weiss等[3]、Yellore等[18]研究揭示，證明位于1號染色體短臂3區6帶的UBIAD1基因突變可導致膽固醇、磷脂等脂質在角膜處異常積累。隨后，世界各地的科學家及眼科學家，不斷發現和報道新的SCCD病例。通過序列分析得到多個UBIAD1點突變，證明該基因突變可以導致SCCD的發生，進一步闡明了SCCD發病的分子基礎。

截止目前，通過文獻檢索共發現28個可以引起SCCD發生的UBIAD1點突變，其中UBIAD1第102位天冬氨酰突變是所有點突變中的熱點，現已在多個SCCD家系中發現該突變[2，3，18-25，26]。國內學者報道的SCCD家系中也發現了102位氨基酸突變，同時還發現了98位和171位氨基酸突變[13，19-21]。我們總結了從2007年SCCD分子基礎被揭示以來至2019年發現的導致SCCD發生的全部UBIAD1點突變[27-30]，見表1。SCCD在歐美國家的發病率高于其他國家和地區，分析可能與UBIAD1基因的易感性有關。Dong等[31]運用CRISPR-Cas9技術構建了SCCD小鼠模型，將小鼠UBIAD1基因的第100位氨基酸引入突變，由天冬氨酰突變為絲氨酸，該位置對應于人第102位熱點突變，為SCCD的治療與發病機理的研究提供了動物模型。盡管SCCD的分子基礎已經被證實，但其具體發病機制尚不清楚。

3 SCCD致病基因UBIAD1的功能

UBIAD1基因于2001年被發現，在人體的多種組織中表達，但是在侵入性移行細胞癌中該基因表達量降低或不表達。將該基因轉入移行細胞癌TCC細胞中，發現細胞的增殖抑制率達80%～90%[4]，但是該基因的具體功能未知。McGarvey等[5]證明，25%的膀胱腫瘤中未檢測到UBIAD1表達，將UBIAD1基因轉入LNCaP和PC-3兩種膀胱癌細胞系中，細胞生長抑制率達80%，表明UBIAD1可以明顯抑制膀胱癌細胞增殖，推測該基因是潛在的抑癌基因。2010年，Nakagawa等[6]證明UBIAD1是人體中的MK-4生物合成酶，參與細胞中膽固醇代謝，UBIAD1基因的功能研究隨之成為熱點。有研究通過基因芯片分析發現，在1/3的膀胱癌樣本中，UBIAD1的表達量減少。在裸鼠膀胱癌模型中表達UBIAD1，可以抑制腫瘤的發生發展。UBIAD1突變可影響其與APOE蛋白結合，導致細胞內膽固醇水平異常，從而提高癌細胞中的膽固醇含量。若移行細胞癌中缺失UBIAD1表達，MK-4介導的膽固醇平衡則被打破，癌細胞持續增殖[7]。

UBIAD1是一種異戊烯轉移酶，在維生素K2和輔酶10(CoQ10)的生物合成中起到重要作用。UBIAD1亞細胞定位在線粒體、內質網和高爾基體上。研究證明，UBIAD1與線粒體中TBL2蛋白存在相互作用，異源表達UBIAD1可以提高線粒體跨膜電位，氧化壓力和NO產量，激活SXR靶標。UBIAD1-TBL2復合物在氧化壓力、硝化壓力、脂代謝和SXR信號通路中具有重要作用[32]。另有研究報道，在腎透明細胞癌中表達UBIAD1，可以增加線粒體耗氧量、氫產量、氧化壓力和NO產量，降低膽固醇含量[33]。Hegarty等[34]研究發現，在多器官的脊椎動物中UBIAD1對血管內皮細胞的生存和發育至關重要，其原因可能是UBIAD1介導維生素K2的合成，而且該基因還具有調節心臟功能的作用，斑馬魚UBIAD1同源基因reddish/reh突變后，斑馬魚會出現心臟水腫、顱內出血、血管退化等表現。Mugoni等[35]利用斑馬魚研究發現，UBIAD1直系同源基因barolo/bar突變的斑馬魚心血管系統發育失敗，原因為氧化壓力以及ROS介導的細胞損傷。UBIAD1是一個定位于高爾基體的異戊烯轉移酶而非定位于線粒體，在高爾基體上合成CoQ10，UBIAD1缺失可導致細胞基質中抵御氧化壓力的CoQ10減少，血管壁細胞中ROS介導的脂質過氧化。在心血管中抑制eNOS可以阻止UBIAD1依賴的氧化損傷，表明UBIAD1可通過調控CoQ10的合成調節eNOS的活性，在NO信號通路中起重要作用[36]。

敲除小鼠UBIAD1基因，小鼠胚胎成活7.5d后發育停止。UBIAD1-/-胚胎干細胞中不能合成維生素K2，但是可以合成CoQ9，與野生型胚胎干細胞相似。UBIAD1+/-小鼠可以正常發育和交配，其組織中維生素K2的合成量與含量約是正常小鼠組織的1/2，但是CoQ9的含量與野生型小鼠相比大致相等。UBIAD1-/-小鼠胚胎無法存活，但是給UBIAD1+/-孕母鼠補充MK-4或者CoQ10可以延長胚胎的生存時間。UBIAD1在維生素K2的合成中起作用，但與CoQ9的合成不相關[37]。為了解決這一難題，Nakagawa團隊利用5a時間構建了他莫昔芬誘導的UBIAD1基因敲除鼠，該小鼠在喂食他莫昔芬后，生存期延長至60d，小鼠發育成熟，他們用此模型來研究UBIAD1基因敲除后小鼠的變化，解剖發現小鼠的胰臟體積變小，胰臟腺泡細胞變成液泡細胞，鑒定后發現，該液泡細胞為脂肪細胞。UBIAD1基因缺失后，胰臟腺泡細胞氧化壓力和自噬增強，導致細胞出現凋亡。這一結果表明UBIAD1基因對胰臟腺泡細胞的生存至關重要，而且對細胞內脂質的代謝具有重要作用[38]。

Hirota等[39]借助生信分析方法及生化檢測手段將UBIAD1蛋白的4個保守結構域逐一進行分析發現，保守域Ⅰ(101～133)參與了底物的結合；保守域Ⅱ(140～150)是氧化還原反應結構域，其中包含CxxC結構域；保守域Ⅲ(169～184)鉸鏈區是重要的催化位點中心；保守域Ⅳ(240～253)是Mg2+和異戊二烯基結合位點。該研究為進一步揭示細胞中UBIAD1蛋白的工作機制奠定了基礎。UbiA超家族蛋白是一種跨膜的異戊烯轉移酶，控制輔酶Q、維生素K2、質體醌、亞鐵血紅素、葉綠素、維生素E和結構脂質生物合成的關鍵步驟，上述脂溶性化合物常作為電子或質子供體參與細胞呼吸、光合作用，也作為抗氧化劑保護細胞免受氧化損傷[40]。UBIAD1蛋白是UbiA超家族蛋白成員之一，其在慢性腎臟疾病和心血管疾病中也起到重要作用，推測其通過調節細胞中MK-4和CoQ10的生物合成調控細胞中膽固醇水平，進而影響腎臟細胞和心血管細胞的鈣化、凋亡和增殖過程[41-42]。Huang等[43]發現在N2A 細胞中UBIAD1通過調控PI3K/AKT信號通路保護因為缺氧和低糖造成的亞細胞器損傷。

UBIAD1突變可引起脂質在眼角膜中的異常積累，導致SCCD的發生[2-3]。研究發現在哺乳動物細胞中固醇類物質可以刺激UBIAD1與HMG CoA還原酶(3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A)結合，牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(GGpp)存在時，GGpp可與UBIAD1蛋白的催化中心結合，UBIAD1-HMG CoA還原酶復合物解離，之后UBIAD1被轉運到高爾基體，HMG CoA還原酶破膜進入細胞質中被蛋白酶體降解，具體分子機制見圖1[44-45]。當UBIAD1出現點突變以后，其構象發生改變，如最常見的N102S點突變，UBIAD1突變體不能與GGpp結合，導致UBIAD1-HMG CoA還原酶復合物不發生解離，一直存在于內質網膜[44-45]。HMG CoA還原酶是膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成中的限速酶，HMG CoA還原酶的正常表達是細胞膽固醇和非甾醇類異戊二烯物質合成的基礎。當HMG CoA還原酶不能被及時降解時，可導致膽固醇和非甾醇類異戊二烯物質在細胞內積累[46-48]。因此我們推測，SCCD的致病分子機制為UBIAD1基因突變后，導致UBIAD1蛋白構象發生改變，不能與細胞中GGpp結合，無法受其調控從UBIAD1-HMG CoA還原酶復合體中解離，因此一直定位于內質網膜，同時HMG CoA還原酶無法從內質網膜上解離，導致其不能通過蛋白酶體降解，從而在內質網膜大量積累，其作為膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成步驟中的關鍵限速酶不能被及時降解，造成細胞中膽固醇和非甾醇類異戊二烯的大量合成并積累。膽固醇和非甾醇類異戊二烯的生物合成見圖2[44-48]。

圖1 甾醇促進的內質網降解相關的HMG CoA還原酶途徑中UBIAD1的功能。

圖2 細胞中膽固醇和非甾醇類異戊二烯生物合成通路。

4小結

SCCD是一種稀有的常染色體顯性遺傳病，其臨床表現為角膜隨年齡增長逐漸混濁化，SCCD在男女中患病幾率均等，因為膽固醇和結構脂類在角膜中的異常積累。該疾病于1924年首次報道[15]，瑞士眼科醫生Schnyder[16]闡明了本病的臨床表現與遺傳特性。直至2007年SCCD的分子基礎才被確證[2-3]。SCCD的病因學基礎為眼角膜中脂質的異常積累，致病機理的闡明為該疾病的分子診斷、靶向藥物研發和特異性治療提供了理論支持。Schumacher等科學家探究了UBIAD1與HMG CoA 還原酶的作用機制，詳細描繪了UBIAD1-HMG CoA 還原酶在細胞中的角色與功能，為SCCD致病機理的闡明奠定了分子基礎[44-48]。

UBIAD1基因突變可引起SCCD，但其在膀胱、前列腺等器官中可以作為抑癌因子，同時保護心血管系統免受氧化壓力損傷。此外，UBIAD1也是人體中MK-4生物合成酶，在機體發育、脂質代謝和氧化損傷等方面中起到至關重要的作用，其它功能及作用機制仍需進一步闡明。