POAG相關基因與中樞神經系統疾病的研究進展

王艾嘉，張 旭

0引言

青光眼是一種神經退行性疾病，其臨床表現為漸進性視盤凹陷性萎縮和視野特征性缺損，是造成不可逆致盲的主要原因[1]。原發性開角型青光眼(primary open angle glaucoma，POAG)約占青光眼的60%～70%，其病因尚不完全明了，遺傳可能是病因的重要因素。自遺傳連鎖分析和全基因組關聯研究(genome-wide association study，GWAS)分別應用于POAG的研究以來，兩種方法已鑒定了大量POAG相關基因和風險基因位點。與此同時，隨著影像學和神經科學水平的提高，青光眼開始被認為是中樞神經系統(central nervous system，CNS)疾病的一種類型。研究表明，青光眼患者在視網膜神經節細胞(RGCs)至大腦枕葉視皮質的整個視覺通路上均出現病理改變，而晚期青光眼患者結構和功能的改變甚至延伸到了CNS的非視覺區域[2-3]。已知的神經退行性疾病包括肌萎縮側索硬化癥(ALS)、額顳葉癡呆(FTD)、阿爾茨海默病(AD)、亨廷頓病(HD)、帕金森氏病(PD)和脊髓小腦性共濟失調(SCA)等。遺傳是神經退行性疾病的重要病因，建立POAG相關基因與CNS疾病的聯系將對“青光眼是一種CNS疾病”的觀點提供重要依據。本文將介紹主要的POAG相關基因及其與CNS疾病之間的聯系。

1 POAG的遺傳連鎖分析

1.1遺傳連鎖分析的應用概況遺傳連鎖分析是一種基于家系的，用于定位與相關家系中特定表型相關的染色體區域的方法，主要應用于孟德爾性狀或遺傳可能性高的性狀。通過對POAG家系的遺傳連鎖分析人們確定了一系列基因位點并依次從GLC1A編碼至GLC1P。該方法篩選出的POAG相關基因包括MYOC、CYP1B1、WDR36、OPTN、TBK1以及其它的一些候選基因。

表1 通過GWAS確定的POAG相關基因

1.2遺傳連鎖分析確定的基因位點MYOC是Stone等[4]發現的第1個POAG致病基因，該基因位于連鎖位點GLC1A。MYOC約85%的突變是位于第3外顯子的錯義突變。MYOC的突變主要與青少年型原發性開角型青光眼(juvenile open angle glaucoma,JOAG)有關[5]。而位于連鎖位點GLC3A的CYP1B1則被Stoilov等[6]確定為是原發性先天性青光眼的致病基因。Kaur等[7]發現CYP1B1作為MYOC的修飾物可使MYOC與CYP1B1相互作用，但MYOC和CYP1B1的相互作用與POAG發病機制之間的聯系仍知之甚少[8]。

WDR36是位于連鎖位點GLC1G的POAG致病基因[9]。雖然在約6%的POAG患者中檢測出了4個WDR36突變(N355S、A449T、R529Q和D658G)[9]，但這些突變也存在于健康受試者中，這使得WDR36在POAG中的作用受到質疑。Liu等[10]在關于WDR36的Meta分析中也指出其對于POAG遺傳易感性不起主要作用。因此關于WDR36在POAG發生中作用的重要程度仍存在爭議。

OPTN最早由Sarfarazi等[11]定位于連鎖位點GLC1E。該基因編碼一種泛素結合的自噬受體蛋白Optineurin。OPTN突變已被發現與正常眼壓性青光眼(normal tension glaucoma，NTG)有重要聯系，目前已確定的OPTN突變中以E50K錯義突變最為常見，該突變參與DNA結合和蛋白質二聚化，可對OPTN功能造成顯性負效應[12]。E50K突變在NTG中的作用尚不完全清楚，Shim等[13]發現E50K突變通過改變 Bax通路和線粒體動力學引起線粒體降解和自噬體形成，這可能是其導致POAG的重要機制。TBK1位于連鎖位點GLC1P，負責編碼絲氨酸/蘇氨酸激酶。TBK1基因的拷貝數變異(CNVs)被發現可以通過自噬失調導致早發性家族性NTG。OPTN與TBK1在多種生化途徑中有密切聯系，兩者的相互作用可以激活細胞自噬，而過度表達E50K則可以增強OPTN與TBK1的相互作用[14]。OPTN或TBK1的突變被認為會導致自噬的異常激活以及不可逆轉的RGCs破壞，這為青光眼發生提供了一種機制[15]。同時，OPTN和TBK1突變與CNS疾病之間的關聯也被越來越多研究者提出。

1.3其它遺傳連鎖分析確定的基因位點NTF4位于連鎖位點GLC1O。雖然Pasutto等[16]在1.7%的歐洲POAG患者中發現了7個NTF4雜合突變，但其它地區的研究均未重復這一結果。IL20RB位于連鎖位點GLC1C，Keller等[17]在一個大型POAG家族中發現IL20RB的1個罕見T104M突變，研究表明T104M突變很可能通過影響IL-20信號通路導致家族性青光眼的發生[18]。ASB10位于連鎖位點GLC1F，TNF-α和IL-1α上調小梁網細胞中ASB10的表達支持了ASB10在青光眼中的作用[19]。EFEMP1位于連鎖位點GLC1H，EFEMP1功能障礙導致POAG的可能機制包括基底膜結構功能受損、內質網應激慢性激活導致的細胞死亡[20]，且EFEMP1突變與視神經的視盤面積減少相關。

2 POAG的全基因組關聯研究

2.1 GWAS的應用概況GWAS以流行病學為基礎，用于評價某種疾病與人群中某種基因突變是否存在顯著關聯。近年來，GWAS在對復雜性疾病的研究中取得了顯著進展，自該方法運用于POAG研究以來已經鑒定出數十個POAG相關基因，且檢測出的基因數量仍在上升。

2.2由GWAS確定的風險基因位點Liu等[8]曾對GWAS確定的POAG相關基因進行系統的總結，表1列出了其中較為主要的基因，包括CAV1/CAV2[21]、CDKN2B-AS1[22-23]、SIX6[22-23]、TXNRD2[23]、ATXN2[23]、FOXC1[23]、GMDS[24]、TMCO1[25-26]、ABCA1[24，27]、AFAP1[23-24]、GAS7[27]。Youngblood等[28]通過對全球多地多種族的研究又新發現近30種POAG相關的單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism，SNP)，標志著未來GWAS在POAG領域研究的潛力。同時ATXN2在一些CNS疾病中起關鍵作用，我們可借此建立青光眼與CNS疾病在遺傳學層面的聯系。

3 POAG相關基因與CNS疾病的聯系

3.1 OPTN與TBK1

3.1.1肌萎縮側索硬化癥肌萎縮側索硬化癥(ALS)是一組由脊髓、腦干和大腦中的運動神經元進行性死亡引起的神經退行性疾病。高達10%的ALS患者具有ALS家族史，表明該病的遺傳特征[29]。導致ALS的OPTN突變最早由Maruyama等[30]發現，研究表明ALS中的OPTN突變可能具有奠基者效應。在人類患者OPTN的N-末端區域共檢測到5個錯義突變，其中與ALS相關的R96L突變可干擾OPTN的寡聚狀態或OPTN與其他結合體的相互作用，而包括E50K在內的其余4個突變則與POAG相關；OPTN的C-末端區域與ALS連鎖的突變包括錯義突變Q454E、E478G以及截斷突變Q398X。數據表明這些突變可干擾或破壞OPTN UBAN結構域的功能，進而影響OPTN依賴的選擇性自噬過程[31]。Minegishi等[29]也認為多數ALS相關的OPTN突變是因為缺乏泛素結合所需的C-末端區域，因此OPTN中的ALS突變似乎與泛素結合所支配的功能有關。McCauley等[32]研究則表明OPTN突變可能通過改變全身和神經炎性反應影響疾病進展，進一步拓展了OPTN突變導致ALS的機制研究。

值得注意的是，Swarup等[33]發現OPTN突變具有一定的細胞特異性。在細胞培養中，青光眼相關突變E50K、M98K會選擇性誘導RGCs凋亡；而ALS相關突變E478G則誘導運動神經元樣細胞死亡，但不誘導RGCs死亡。因此一般來說，OPTN的青光眼相關突變和ALS相關突變之間沒有關聯。但有1個罕見的插入突變(691_692InsAG)被發現同時與NTG[12]和ALS[34]相關。雖然其致病機制目前尚不清楚，但這提示POAG與ALS之間的聯系可能更為緊密，即累及OPTN的同一突變可能導致青光眼和(或)ALS的發生。

Cirulli等[35]和Freischmidt等[36]研究已證明TBK1基因是ALS的致病基因。研究發現，TBK1基因的E696K錯義突變和C-末端區域的p.690-713缺失突變可干擾和阻止OPTN與TBK1的相互作用，通過影響自噬或線粒體自噬參與ALS的發生。后續Freischmidt等[37]進一步提出ALS相關的TBK1錯義突變可導致單倍體不足從而影響自噬功能，這一觀點在de Majo等[38]研究中得到了證實。此外，TBK1還參與如微管動力學[39]、微管網絡[40]等可能與ALS致病相關的細胞機制。

因此可以推測，無論是引起相關功能障礙的OPTN突變，還是影響TBK1與OPTN相互作用的TBK1突變，最終都將影響與神經退行性疾病高度相關的OPTN依賴的自噬與有絲分裂功能。

3.1.2額顳葉癡呆額顳葉癡呆(FTD)作為額顳葉變性(FTLD)的一種分型，是一種因額葉和(或)顳葉的退行性變導致的一組臨床綜合征。30%～50%的FTD患者有至少一位親屬出現類似病情[41]，提示其高度的遺傳性。OPTN突變在FTD中的作用目前尚存在爭議，在一項對104例沒有運動神經元受累的FTD患者中鑒定出4.8%的患者具有OPTN和TBK1突變[42]，而另一項對371例FTD患者研究的試驗則無法檢測到OPTN突變[43]。盡管如此，數據顯示OPTN突變仍然影響超過1%的FTD患者[42]。此外，Farhan等[44]在2個患有ALS和FTD的家族中均檢測到OPTN的1個罕見的p.Met468Arg突變，并提出該突變在C9orf72病理擴增的前提下可進一步調整疾病表型，但該突變是否可以單獨導致ALS或FTD尚不清楚。

Pottier等[42]研究確定了TBK1突變是FTLD-TDP(FTLD最常見的病理亞型)的常見原因，并發現導致OPTN和TBK1功能缺失的突變可通過影響蛋白質聚集影響OPTN/TBK1通路在CNS疾病(如FTLD和ALS)中的保護作用；與在ALS中的作用機制類似，TBK1的單倍體不足可能損害TBK1在自噬和神經炎癥中的功能；同時TBK1的CCD2結構域缺失被發現會使TBK1與OPTN的相互作用受阻，導致ALS/FTD發生[35-36]。最近則有報道在行為變異型FTD患者中TBK1的p.lle334Thr突變通過神經炎癥途徑參與FTD-ALS譜系疾病的發生[45]。

由于FTD與ALS是具有共同潛在發病機制的疾病譜的一部分，OPTN與TBK1在兩者中相近的致病機制并不令人十分驚訝。但3.1.1中POAG與ALS的聯系提示青光眼也可能屬于這個疾病譜，這將進一步佐證POAG與CNS疾病的關系。

3.1.3阿爾茨海默病和亨廷頓病阿爾茨海默病(AD)作為一種進行性神經退行性疾病，其主要病理特征是淀粉樣斑塊和神經原纖維纏結(NFT)。雖然關于POAG與AD之間的聯系被多次提出[46-47]，但OPTN與TBK1在AD中的發現仍十分有限。Liu等[48]在AD的NFT和營養不良性神經突中發現了Optineurin，并提出了OPTN參與神經變性和細胞死亡進程的假說，但目前仍缺少遺傳學證據證明OPTN在AD中的作用。關于TBK1，Verheijen等[49]在包含1 253例早發型AD(EOAD)患者的歐洲人群中僅發現1例TBK1突變，他們認為這可能只是1個具有AD早期癥狀的非典型FTD患者，TBK1對于EOAD不起到主要作用。另一項研究中，1個具有AD表型的TBK1 p.D534H突變在1個晚發型AD(LOAD)家族中被發現，研究結果支持該患者AD的診斷[50]。盡管因為研究數據的缺乏，TBK1突變參與AD發生這一觀點目前尚存在爭議，但現有發現仍說明TBK1突變可能造成臨床區分AD和FTD的困難，且由于仍然存在TBK1突變導致AD的可能性，故對具有AD表型的患者進行TBK1基因突變篩查仍是有必要的。

亨廷頓病(HD)是一種常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病，該病致病基因的代謝產物為亨廷頓蛋白(Huntingtin，HTT)。Schwab等[51]研究發現HD中Optineurin存在于神經核和核周包裹體中，提出Optineurin與HTT的相互作用可能是HD的致病機制。Li等[52]進一步證明OPTN UBAN結構域的泛素結合能力是OPTN與HTT-polyQ(polyQ proteins derived from human Huntingtin)共定位的關鍵因素。但目前仍缺乏證據證明OPTN在HD中的遺傳學作用。

3.1.4帕金森氏病流行病學已經證實了帕金森氏病(PD)與青光眼之間的聯系。PD患者的POAG發病率明顯上升，且更易表現為NTG[53]，在PD患者視覺通路上也觀察到了病理變化。而關于POAG與PD的遺傳學聯系近年來也有所發現，Lill等[54]進行的GWAS研究發現，OPTN的青光眼相關突變M98K被發現是PD的危險因素；Lamb等[55]在1例皮質基底節變性的患者中檢測到了1個新的TBK1突變(p.E703X)，并預測該突變會破壞OPTN/TBK1的相互作用并損害自噬功能，這表明TBK1突變可能是導致非典型PD的原因。盡管基于這些發現PD與青光眼有了一定的關聯，但兩者的聯系仍需進一步探索。

3.2 ATXN2

3.2.1肌萎縮側索硬化癥正常情況下，ATXN2編碼區含有1個由CAG重復序列構成的聚谷氨酰胺(PolyQ)結構域，該結構域包含22～23個谷氨酸，由核苷酸序列(CAG)8CAA(CAG)4CAA(CAG)8-9編碼。PolyQ結構域的病理擴展可導致神經萎縮，影響神經元的投射。ATXN2的中等長度CAG擴展(Q27-33)[56]已被確定為ALS的危險因素，且ALS的患病風險隨等位基因重復呈指數增加。Elden等[56]發現ATXN2的中等長度擴展在引起ALS的同時伴有TAR DNA結合蛋白(TDP-43)的出現，擴展的ATXN2更易與TDP-43結合并修飾TDP-43的毒性，以此參與疾病的發生。Farg等[57]則在ALS患者中發現ATXN2與FUS(fused in sarcoma)蛋白的共定位，并證明中等長度擴展的ATXN2可以增強兩者的相互作用以及修飾FUS的病理作用。Lattante等[58]首次報道ATXN2中等長度擴展與家族性FTD-ALS顯著相關，他們提出該擴展可以在存在C9orf72擴展的前提下充當FTD表型的強大修飾物，導致以FTD和ALS為特征的臨床表現。van Blitterswijk等[59]在另一項試驗中也提出ATXN2的中等長度擴展可能對擴展的C9orf72起修飾作用。另有研究在ALS和FTD表型的患者中觀察到ATXN2中等長度擴展[44]，間接支持了上述觀點。但ATXN2擴展并不單獨與FTD相關[59]。事實上，TDP-43與FUS是ALS的主要致病因素，C9orf72也是FTD的主要致病因素。因此可以推測，ATXN2在ALS-FTD系譜疾病中更多的是增強或修飾主要致病因素的作用，而非獨立引起疾病發生。

3.2.2脊髓小腦性共濟失調脊髓小腦性共濟失調(SCA2)是一種常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病，ATXN2中CAG序列的重復擴展已被證明為SCA2的致病原因[60]。但與ALS不同，導致SCA2的CAG擴展序列更長，CAG重復次數多達37～39個，且通常無CAA序列中斷，即表現為單純的CAG重復[61]。長擴展的ATXN2導致SCA2的機制包括參與RNA的加工、翻譯和新陳代謝的調節，ATXN2擴展后獲得新的毒性功能，使浦肯野細胞放電頻率變得異常緩慢并最終導致細胞丟失[62]。Li等[63]則發現ATXN2在SCA2患者的腦組織和在有ATXN2擴展的ALS組織中雙向轉錄，含有CUG序列重復擴增的反義轉錄產物ATXN2-AS具有神經毒性，研究表明ATXN2-AS可能有助于SCA2和ALS的發生。

此外，有研究在SCA2患者中發現PD的伴隨，并指出伴隨發生的PD與CAG擴展(Q33-43)相關[64]。Monte等[65]則證明了PD與CAG長擴展之間的確切聯系，并指出CAG擴展內的CAA中斷是目前研究最多的PD遺傳因素。

ATXN2長擴展是SCA2以及PD的重要原因，相關發病機制的研究已較為成熟。結合3.2.1可以發現，目前在建立 POAG與CNS疾病的聯系方面，ATXN2的作用十分有限。但ATXN2在CNS疾病發病機制中發揮著重要作用，作為青光眼與CNS疾病共同的危險因素，未來ATXN2在青光眼的研究中仍具有意義。

4總結

本文首先介紹了POAG主要的相關基因。遺傳連鎖分析和GWAS兩種檢測方法確定了大量POAG相關位點，極大推進了POAG病因的研究。以對疾病靶向干預從而實現精準醫療為目標，基于大數據的基因檢測方法在未來勢必還有更大的發展空間。此外本文重點對POAG相關基因與CNS疾病之間的關系進行了總結和思考，已知的CNS疾病在臨床表現、病理學和遺傳學等方面表現出許多相似之處，通過對POAG相關基因與CNS疾病之間聯系的總結歸納可以發現POAG在許多方面，特別是遺傳學方面，與CNS疾病都有著很高的相關和相似程度。這些發現均為“青光眼是一種CNS疾病”的觀點提供了有力支撐。

目前，關于POAG及其與CNS疾病的聯系仍存在許多疑問。如ATXN2在青光眼中的致病機制，ATXN2在CNS疾病中的參與程度，OPTN突變的細胞特異性以及OPTN和TBK1在AD等CNS疾病中的遺傳學證據等問題均有待進一步探索。最后，如何繼續在分子水平探尋POAG與CNS疾病之間的聯系、深入了解青光眼患者CNS的改變機制以尋求對青光眼本質的正確認識將是今后青光眼領域相關研究的重點。