纖毛是在人體內幾乎所有細胞上均有的毛發狀突起,在機體各組織器官的形成與維持中發揮著重要功能。纖毛結構和功能異常幾乎影響機體的每一個系統,如腦、眼、肝臟、腎臟、骨骼以及生殖系統等。視網膜光感受器細胞是一類可將光信號轉化為神經反應的感覺神經元,這個過程稱為光轉導,發生在視錐細胞及視桿細胞的外節。外節是一種特殊的感覺纖毛,非綜合征性纖毛疾病眼部病變幾乎都與其缺陷相關,如視網膜色素變性、Leber先天性黑矇等。這些疾病具有遺傳異質性,涉及大量基因的突變。它們可以顯示相當大的臨床和遺傳重疊。到目前為止,針對于視網膜纖毛病的研究為數不多,也尚未有較好的臨床治療策略,總結纖毛功能障礙與視覺發育相關疾病的關系,有助于整體了解這些疾病的特征從而進行早期干預。
引用本文: 馮月蘭, 李寧東. 纖毛功能障礙與視覺發育相關疾病的關系研究現狀. 中華眼底病雜志, 2020, 36(8): 652-656. doi: 10.3760/cma.j.cn511434-20190213-00044 復制
纖毛(cilia)是細胞游離面伸出、能夠擺動的細長突起,其內軸絲由微管組成,具有一定的擺動能力。纖毛廣泛存在于動物的視、聽、嗅器官和中樞神經系統、呼吸系統、性腺、肝、腎等組織細胞內以及細胞表面,參與細胞運動、物資運輸、信號傳遞和早期發育等[1-2]。纖毛可分為運動纖毛和靜止纖毛。運動纖毛類似于運送工具,參與細胞的運動、物資運送等功能,如位于呼吸道表面的上皮細胞表面的纖毛將呼吸道分泌物移出;靜止纖毛又稱為初級纖毛,其類似于觸角,感受細胞內外的信號刺激,參與細胞內的生理生化反應。人眼視網膜的光感受器細胞存在大量的靜止纖毛,它們在光的傳導級聯反應中具有重要作用。纖毛在進化過程中高度保守,在不同組織細胞中具有相似的結構和功能。許多基因編碼的蛋白,如USH2A等不僅在視網膜表達,且在耳蝸、前庭的纖毛結構中高度表達,故此類基因突變后,不僅引起光感受器細胞功能障礙,導致視力下降,同時還會影響耳蝸內的纖毛功能改變,引起聽覺障礙。近年來,學者們將不同基因突變引起的共同靶組織-纖毛功能障礙作為一類疾病進行研究,并提出“纖毛病”這一概念[3-4]。現就與視覺發育相關的纖毛病作一綜述。
1 光感受器細胞中的纖毛結構
視網膜光感受器細胞由神經上皮細胞分化而來的視錐細胞和視桿細胞組成。超微結構下,光感受器細胞分為外節、內節、連接纖毛、體部和突觸。位于內節的細胞器與外節的視神經盤之間連接纖毛是光感受器中的纖毛結構,它負責內外節間的物質運輸。連接纖毛是由中心體發育而來的一段狹窄通道。光感受器細胞在發育過程中,母中心粒演化成基體,基體遠端向內節頂部發出由九根微管組成的軸絲,同時包被細胞膜形成突出,即為纖毛(圖1A)。外節在發育完成后頂端進行周期性的脫落,脫落的外節膜盤由RPE細胞進行吞噬和降解,基部需要不斷形成新的膜盤來維持外節的長度。因此,光感受器細胞在其一生中需要不停地合成大量視色素和其他外節蛋白質。在正常的光感受器細胞中,外節蛋白在粗面內質網合成后,進入高爾基體進行加工,然后以囊泡的形式通過動力蛋白運輸到連接纖毛基部,在纖毛基體處與外節的基底膜融合,形成新的外節(圖1B)。連接纖毛曾經被認為是光感受器中唯一的纖毛成分,然而近年來的研究顯示,整個光感受器的外節都可以看成是高度分化的初級感受纖毛[5-7]。

2 纖毛功能障礙與視覺發育相關疾病
視網膜變性疾病是人類首要的難治性致盲性眼病,可單純發生于視網膜或合并其他系統疾病,其中有部分是由于纖毛功能障礙所致。迄今為止,約250余種基因突變可引起初級纖毛的結構和功能障礙,這些基因大多編碼纖毛蛋白,比如纖毛信號傳導蛋白、光感受器組成蛋白、光感受器結構蛋白和光感受器功能蛋白[8]。當這些蛋白的功能發生異常時,會引起光感受器細胞內節到外節的物質運輸、RPE細胞的吞噬功能以及光信號傳導中的離子移動和能量利用的障礙,進而導致光感受器和視網膜變性。視網膜纖毛疾病可分為僅累及視網膜組織的非綜合征型視網膜纖毛疾病(non-syndromic retinal ciliopathies)以及合并全身其他系統功能障礙的綜合征型視網膜纖毛疾病(syndromic retinal ciliopathies)[9]。
2.1 非綜合征型視網膜纖毛疾病
2.1.1 視網膜色素變性(RP)
RP是一種以進行性光感受器細胞和RPE凋亡為特征的致盲性眼底疾病,患病率約1/3000[10]。此病具有極強的遺傳和臨床異質性,可表現為常染色體顯性、隱性、X連鎖以及雙基因遺傳。迄今為止,已發現80余個基因突變可導致RP,其中一部分基因與纖毛的結構和功能相關,包括ARL6、BBS1、BBS9、C2orf71、C8orf7、CLRN1等(表1)。這些基因編碼的蛋白在光感受器細胞體部、連接纖毛、叢狀層突觸等部位具有豐富的表達,參與光感受器細胞的正常結構和功能。RP患者早期即出現夜盲、周邊視野丟失,這可能與光感受器感覺纖毛功能障礙及周邊視網膜光感受器細胞凋亡有關[5]。隨病情進展,黃斑部視細胞受累,導致中心視力喪失。RPE發生退化,使色素釋放,堆積形成骨細胞樣色素沉著外觀。視網膜萎縮、視網膜血管變細、視網膜神經組織進行修復,導致視盤顏色發生蠟黃樣改變。

2.1.2 Leber先天性黑矇(LCA)
LCA是以視錐細胞和視桿細胞變性為特征的先天致盲性視網膜疾病,發病率約1/50 000[11]。其具有極強的遺傳和臨床異質性,多為常染色體隱性遺傳,少數為常染色體顯性遺傳。目前發現的致病基因共有25個[12]。纖毛基因突變大約占與該疾病相關的基因位點的四分之一,包括CEP164、CEP290、IFT140等。基因所編碼蛋白功能涉及光感受器細胞的分化和形態發育、維生素A在視網膜的代謝、蛋白的轉運和分布以及視網膜光電信號的傳導等[11]。患兒常于出生后數月內表現出不追物、固視障礙、眼球震顫、按壓眼球等癥狀。LCA雖然表現為較嚴重的視網膜營養不良,但不具有系統的特征。不同基因突變導致的LCA呈現不同的眼底表征,早期可表現為正常,也可有輕度的血管扭曲、假性視盤水腫、黃斑萎縮、色素沉著、周邊黃色融合病灶、白色點狀病變等。
2.1.3 錐細胞營養不良(CD)和錐桿細胞營養不良(CRD)
CD和CRD二者早期均以視錐細胞營養不良為特征,發病率均為1∶30 000~1∶40 000[13],遺傳方式多以常染色體隱性遺傳和散發模式較為常見。目前已發現的與纖毛相關的致病基因有C8orf37、RAB28、RPGR、RPGRIP1,其中RPGR基因突變可同時引起CD和CRD。在臨床表現上,這兩種疾病也十分相似,例如黃斑部異常、中心視力和色覺喪失、視敏度降低,最終發展成為中心性暗點。不同的是CRD患者會出現視桿細胞異常,而CD患者雖最初顯現出正常的視桿細胞,但在疾病發展后期,患者多伴有視桿細胞營養不良,所以CD晚期也會出現夜盲和視野缺損。
2.1.4 黃斑營養不良(MD)
MD是一種罕見的以黃斑區視錐系統或視錐視桿系統營養不良性為特征的遺傳性視網膜疾病。以常染色體顯性、隱性方式遺傳,目前確定可引起MD的致病基因包括RP1L1、RPGR。其編碼的蛋白均在連接纖毛中表達。臨床表現為雙眼黃斑區及視網膜下RPE萎縮,導致中央視力進行性減退甚至失明。
2.2 綜合征型視網膜纖毛病變
臨床中,患有視網膜纖毛疾病的患者,多伴有全身疾病,如多囊腎、肥胖、認知障礙、腎功能不全、糖尿病等疾病。目前,已有超過20多種纖毛疾病被確診[14],常見的包括以下幾種疾病。
2.2.1 巴德-畢氏綜合征(BBS)
BBS是一種在遺傳學上具有高異質性的常染色體隱性遺傳疾病,迄今為止,至少20個BBS基因已被識別報道[13]。除3個基因是分子伴侶外,其余都與纖毛的功能有關[15]。臨床主要表現為智力低下、RP、多指(趾)畸形、肥胖和性腺發育不全。大約93%的患者伴有CRD[16]。患者在幼兒或兒童期即可出現顯著視力下降,大約在12歲時視力喪失,通常伴隨斜視、眼球震顫、白內障、色盲、黃斑水腫和變性[17]。
2.2.2 Usher綜合征(USH)
USH是以先天性感音神經性耳聾、漸進性RP而致視野縮小、視力障礙為主要表現的一種常染色體隱性遺傳纖毛疾病,發病率約為1/25 000[18]。目前10個基因13個位點已被確認與該病有關,大部分位于光感受器纖毛轉運區[19]。患者前庭功能障礙出生時即有,RP在兒童期開始出現,視野進展性縮小,視力下降迅速,最終致盲。
2.2.3 Alstrom綜合征(AS)
AS是一種罕見的常染色體隱性遺傳病,人群普遍發病率<1/1 000 000[20]。ALMS1基因是唯一確定與AS發病相關的基因,廣泛表達于中樞神經系統、光感受器、內分泌系統、體外循環系統及泌尿生殖系統的纖毛細胞中心體和基底部[21]。臨床表現復雜多樣,肥胖、胰島素抵抗、高胰島素血癥為主要臨床特征。不同年齡變化較大,但以兒童時期視錐視桿細胞視網膜色素營養不良、感音神經性耳聾以及嬰兒期表現為眼球震顫、畏光、錐桿細胞營養不良為首發癥狀[22]。
2.2.4 Joubert綜合征
Joubert綜合征是以小腦蚓部發育不良為特征的遺傳性疾病。目前發現28種致病基因,均為編碼初級纖毛及其附屬器蛋白的基因(包括轉運區、胞體、鞭毛軸絲)[23-24]。本病主要的臨床表現有肌張力減低、共濟失調、發育落后、智力障礙、眼球運動異常、呼吸節律異常。視覺異常占疾病的70%~100%[25],動眼失用是特征性表現,其特點為視物時眼球運動與頭部運動不協調、追視障礙、前庭-眼球反射消失。
2.2.5 Meckel綜合征
Meckel綜合征是一種常染色體隱性遺傳的致死性疾病,已發現與Meckel綜合征相關的13個基因突變位點,所有基因均涉及纖毛功能[26]。疾病多累及中樞神經系統,其典型表現為枕部腦膨出、多囊腎、多指(趾),常合并唇腭裂、心臟發育異常等其他畸形。多數患者死于宮內或出生后即死亡,少數幸存患兒表現為無眼畸形、角膜異常、白內障晶狀體血管膜、視網膜發育不良、后鞏膜葡萄腫和視神經發育不全[27]。
2.2.6 Senior-Loken綜合征
Senior-Loken綜合征以消耗性腎病合并視網膜變性為主要表現。突變基因編碼蛋白多位于纖毛轉運區,眼部表現多樣化,癥狀多與RP和LCA類似[28],其他眼部癥狀包括白內障、Coats眼底病變和圓錐角膜[29]。目前該病國內罕有報道。
3 小結
纖毛病幾乎影響機體的每一個系統。許多基因的突變可引起視網膜纖毛病,且表現多樣,即便是同一基因的突變,疾病名稱和臨床表型也不完全一樣,如RPGR基因突變不但會引起RP也會引起CD、CRD和MD,疾病之間也常常有重合的臨床表現。比如,臨床中對CD和CRD的診斷很難區分,尤其在疾病的最后階段。RP患者起初由于視桿細胞受損表現為視野范圍縮小,最終也會由于視錐細胞的受損而導致完全失明;LCA患者則表現為兩種細胞均受損,所以其臨床表現和基因表型與CD、CRD以及RP相似(圖2)。對纖毛的生物學和纖毛疾病的基因和臨床表型的研究有助于了解這些特定疾病的一體化特征。此外,研究這些疾病及其發病機制或許會使不同基因突變患者的個性化治療成為可能。

纖毛(cilia)是細胞游離面伸出、能夠擺動的細長突起,其內軸絲由微管組成,具有一定的擺動能力。纖毛廣泛存在于動物的視、聽、嗅器官和中樞神經系統、呼吸系統、性腺、肝、腎等組織細胞內以及細胞表面,參與細胞運動、物資運輸、信號傳遞和早期發育等[1-2]。纖毛可分為運動纖毛和靜止纖毛。運動纖毛類似于運送工具,參與細胞的運動、物資運送等功能,如位于呼吸道表面的上皮細胞表面的纖毛將呼吸道分泌物移出;靜止纖毛又稱為初級纖毛,其類似于觸角,感受細胞內外的信號刺激,參與細胞內的生理生化反應。人眼視網膜的光感受器細胞存在大量的靜止纖毛,它們在光的傳導級聯反應中具有重要作用。纖毛在進化過程中高度保守,在不同組織細胞中具有相似的結構和功能。許多基因編碼的蛋白,如USH2A等不僅在視網膜表達,且在耳蝸、前庭的纖毛結構中高度表達,故此類基因突變后,不僅引起光感受器細胞功能障礙,導致視力下降,同時還會影響耳蝸內的纖毛功能改變,引起聽覺障礙。近年來,學者們將不同基因突變引起的共同靶組織-纖毛功能障礙作為一類疾病進行研究,并提出“纖毛病”這一概念[3-4]。現就與視覺發育相關的纖毛病作一綜述。
1 光感受器細胞中的纖毛結構
視網膜光感受器細胞由神經上皮細胞分化而來的視錐細胞和視桿細胞組成。超微結構下,光感受器細胞分為外節、內節、連接纖毛、體部和突觸。位于內節的細胞器與外節的視神經盤之間連接纖毛是光感受器中的纖毛結構,它負責內外節間的物質運輸。連接纖毛是由中心體發育而來的一段狹窄通道。光感受器細胞在發育過程中,母中心粒演化成基體,基體遠端向內節頂部發出由九根微管組成的軸絲,同時包被細胞膜形成突出,即為纖毛(圖1A)。外節在發育完成后頂端進行周期性的脫落,脫落的外節膜盤由RPE細胞進行吞噬和降解,基部需要不斷形成新的膜盤來維持外節的長度。因此,光感受器細胞在其一生中需要不停地合成大量視色素和其他外節蛋白質。在正常的光感受器細胞中,外節蛋白在粗面內質網合成后,進入高爾基體進行加工,然后以囊泡的形式通過動力蛋白運輸到連接纖毛基部,在纖毛基體處與外節的基底膜融合,形成新的外節(圖1B)。連接纖毛曾經被認為是光感受器中唯一的纖毛成分,然而近年來的研究顯示,整個光感受器的外節都可以看成是高度分化的初級感受纖毛[5-7]。

2 纖毛功能障礙與視覺發育相關疾病
視網膜變性疾病是人類首要的難治性致盲性眼病,可單純發生于視網膜或合并其他系統疾病,其中有部分是由于纖毛功能障礙所致。迄今為止,約250余種基因突變可引起初級纖毛的結構和功能障礙,這些基因大多編碼纖毛蛋白,比如纖毛信號傳導蛋白、光感受器組成蛋白、光感受器結構蛋白和光感受器功能蛋白[8]。當這些蛋白的功能發生異常時,會引起光感受器細胞內節到外節的物質運輸、RPE細胞的吞噬功能以及光信號傳導中的離子移動和能量利用的障礙,進而導致光感受器和視網膜變性。視網膜纖毛疾病可分為僅累及視網膜組織的非綜合征型視網膜纖毛疾病(non-syndromic retinal ciliopathies)以及合并全身其他系統功能障礙的綜合征型視網膜纖毛疾病(syndromic retinal ciliopathies)[9]。
2.1 非綜合征型視網膜纖毛疾病
2.1.1 視網膜色素變性(RP)
RP是一種以進行性光感受器細胞和RPE凋亡為特征的致盲性眼底疾病,患病率約1/3000[10]。此病具有極強的遺傳和臨床異質性,可表現為常染色體顯性、隱性、X連鎖以及雙基因遺傳。迄今為止,已發現80余個基因突變可導致RP,其中一部分基因與纖毛的結構和功能相關,包括ARL6、BBS1、BBS9、C2orf71、C8orf7、CLRN1等(表1)。這些基因編碼的蛋白在光感受器細胞體部、連接纖毛、叢狀層突觸等部位具有豐富的表達,參與光感受器細胞的正常結構和功能。RP患者早期即出現夜盲、周邊視野丟失,這可能與光感受器感覺纖毛功能障礙及周邊視網膜光感受器細胞凋亡有關[5]。隨病情進展,黃斑部視細胞受累,導致中心視力喪失。RPE發生退化,使色素釋放,堆積形成骨細胞樣色素沉著外觀。視網膜萎縮、視網膜血管變細、視網膜神經組織進行修復,導致視盤顏色發生蠟黃樣改變。

2.1.2 Leber先天性黑矇(LCA)
LCA是以視錐細胞和視桿細胞變性為特征的先天致盲性視網膜疾病,發病率約1/50 000[11]。其具有極強的遺傳和臨床異質性,多為常染色體隱性遺傳,少數為常染色體顯性遺傳。目前發現的致病基因共有25個[12]。纖毛基因突變大約占與該疾病相關的基因位點的四分之一,包括CEP164、CEP290、IFT140等。基因所編碼蛋白功能涉及光感受器細胞的分化和形態發育、維生素A在視網膜的代謝、蛋白的轉運和分布以及視網膜光電信號的傳導等[11]。患兒常于出生后數月內表現出不追物、固視障礙、眼球震顫、按壓眼球等癥狀。LCA雖然表現為較嚴重的視網膜營養不良,但不具有系統的特征。不同基因突變導致的LCA呈現不同的眼底表征,早期可表現為正常,也可有輕度的血管扭曲、假性視盤水腫、黃斑萎縮、色素沉著、周邊黃色融合病灶、白色點狀病變等。
2.1.3 錐細胞營養不良(CD)和錐桿細胞營養不良(CRD)
CD和CRD二者早期均以視錐細胞營養不良為特征,發病率均為1∶30 000~1∶40 000[13],遺傳方式多以常染色體隱性遺傳和散發模式較為常見。目前已發現的與纖毛相關的致病基因有C8orf37、RAB28、RPGR、RPGRIP1,其中RPGR基因突變可同時引起CD和CRD。在臨床表現上,這兩種疾病也十分相似,例如黃斑部異常、中心視力和色覺喪失、視敏度降低,最終發展成為中心性暗點。不同的是CRD患者會出現視桿細胞異常,而CD患者雖最初顯現出正常的視桿細胞,但在疾病發展后期,患者多伴有視桿細胞營養不良,所以CD晚期也會出現夜盲和視野缺損。
2.1.4 黃斑營養不良(MD)
MD是一種罕見的以黃斑區視錐系統或視錐視桿系統營養不良性為特征的遺傳性視網膜疾病。以常染色體顯性、隱性方式遺傳,目前確定可引起MD的致病基因包括RP1L1、RPGR。其編碼的蛋白均在連接纖毛中表達。臨床表現為雙眼黃斑區及視網膜下RPE萎縮,導致中央視力進行性減退甚至失明。
2.2 綜合征型視網膜纖毛病變
臨床中,患有視網膜纖毛疾病的患者,多伴有全身疾病,如多囊腎、肥胖、認知障礙、腎功能不全、糖尿病等疾病。目前,已有超過20多種纖毛疾病被確診[14],常見的包括以下幾種疾病。
2.2.1 巴德-畢氏綜合征(BBS)
BBS是一種在遺傳學上具有高異質性的常染色體隱性遺傳疾病,迄今為止,至少20個BBS基因已被識別報道[13]。除3個基因是分子伴侶外,其余都與纖毛的功能有關[15]。臨床主要表現為智力低下、RP、多指(趾)畸形、肥胖和性腺發育不全。大約93%的患者伴有CRD[16]。患者在幼兒或兒童期即可出現顯著視力下降,大約在12歲時視力喪失,通常伴隨斜視、眼球震顫、白內障、色盲、黃斑水腫和變性[17]。
2.2.2 Usher綜合征(USH)
USH是以先天性感音神經性耳聾、漸進性RP而致視野縮小、視力障礙為主要表現的一種常染色體隱性遺傳纖毛疾病,發病率約為1/25 000[18]。目前10個基因13個位點已被確認與該病有關,大部分位于光感受器纖毛轉運區[19]。患者前庭功能障礙出生時即有,RP在兒童期開始出現,視野進展性縮小,視力下降迅速,最終致盲。
2.2.3 Alstrom綜合征(AS)
AS是一種罕見的常染色體隱性遺傳病,人群普遍發病率<1/1 000 000[20]。ALMS1基因是唯一確定與AS發病相關的基因,廣泛表達于中樞神經系統、光感受器、內分泌系統、體外循環系統及泌尿生殖系統的纖毛細胞中心體和基底部[21]。臨床表現復雜多樣,肥胖、胰島素抵抗、高胰島素血癥為主要臨床特征。不同年齡變化較大,但以兒童時期視錐視桿細胞視網膜色素營養不良、感音神經性耳聾以及嬰兒期表現為眼球震顫、畏光、錐桿細胞營養不良為首發癥狀[22]。
2.2.4 Joubert綜合征
Joubert綜合征是以小腦蚓部發育不良為特征的遺傳性疾病。目前發現28種致病基因,均為編碼初級纖毛及其附屬器蛋白的基因(包括轉運區、胞體、鞭毛軸絲)[23-24]。本病主要的臨床表現有肌張力減低、共濟失調、發育落后、智力障礙、眼球運動異常、呼吸節律異常。視覺異常占疾病的70%~100%[25],動眼失用是特征性表現,其特點為視物時眼球運動與頭部運動不協調、追視障礙、前庭-眼球反射消失。
2.2.5 Meckel綜合征
Meckel綜合征是一種常染色體隱性遺傳的致死性疾病,已發現與Meckel綜合征相關的13個基因突變位點,所有基因均涉及纖毛功能[26]。疾病多累及中樞神經系統,其典型表現為枕部腦膨出、多囊腎、多指(趾),常合并唇腭裂、心臟發育異常等其他畸形。多數患者死于宮內或出生后即死亡,少數幸存患兒表現為無眼畸形、角膜異常、白內障晶狀體血管膜、視網膜發育不良、后鞏膜葡萄腫和視神經發育不全[27]。
2.2.6 Senior-Loken綜合征
Senior-Loken綜合征以消耗性腎病合并視網膜變性為主要表現。突變基因編碼蛋白多位于纖毛轉運區,眼部表現多樣化,癥狀多與RP和LCA類似[28],其他眼部癥狀包括白內障、Coats眼底病變和圓錐角膜[29]。目前該病國內罕有報道。
3 小結
纖毛病幾乎影響機體的每一個系統。許多基因的突變可引起視網膜纖毛病,且表現多樣,即便是同一基因的突變,疾病名稱和臨床表型也不完全一樣,如RPGR基因突變不但會引起RP也會引起CD、CRD和MD,疾病之間也常常有重合的臨床表現。比如,臨床中對CD和CRD的診斷很難區分,尤其在疾病的最后階段。RP患者起初由于視桿細胞受損表現為視野范圍縮小,最終也會由于視錐細胞的受損而導致完全失明;LCA患者則表現為兩種細胞均受損,所以其臨床表現和基因表型與CD、CRD以及RP相似(圖2)。對纖毛的生物學和纖毛疾病的基因和臨床表型的研究有助于了解這些特定疾病的一體化特征。此外,研究這些疾病及其發病機制或許會使不同基因突變患者的個性化治療成為可能。
