浅谈白化病的遗传研究

浅谈白化病的遗传研究东北师范大学生命科学学院09级生物科学类张邦蛟1254409007130024摘要：白化病(albinism)是由黑色素(melanin)合成相关基因突变导致黑色素沉着减少或缺失引起的一类遗传性疾病的总称。根据临床表现涉及的组织、器官、系统的复杂程度,白化病分为非综合征白化病和综合征性白化病两大类,每一类包括若干病种,而有些病种又可根据基因座的不同区分为若干型,各型都存在一定程度的等位基因遗传异质性。本文主要简单介绍白化病的遗传研究，并以眼皮肤白化病为例从遗传机理、遗传特征、检测和治疗手段以及遗传咨询等方面对白化病进行简要的论述。关键词：白化病；OCA；产前诊断根据临床表现涉及组织器官的复杂程度,遗传学上常将白化病(albinism)分为两大类,即非综合征性(nonsyndrom-ic)白化病和综合征性(syneromic)白化病。非综合征性白化病进一步依据临床表现涉及的器官不同,分为仅有眼色素缺乏和相应症状的眼白化病(ocularalbinism,OA)及眼、皮肤和毛发均有色素缺乏的眼皮肤白化病(oculocutaneousalbinism,OCA)两种。眼皮肤白化病以前曾被称为全身性白化病或泛发性白化病。4个不同的常染色体基因发生突变,均导致该病发生,由此进一步将OCA分为4型(OCA1~OCA4),(见表1);综合征性白化病一般都有一定程度的OCA表型,又有其他系统的明显异常,称为白化病相关综合征(见图1)。也有学者将白化病分为眼皮肤白化病和眼白化病两类,各种综合征性白化病不归入白化病范畴。1．白化病的遗传机理1.1OAOA呈X连锁隐性遗传,是所有已知白化病各型中惟一的一种与性染色体连锁的类型。临床表现仅发生在眼部发病率约为1/60000。OA1基因位于Xp22,长约40kb,有9个外显子,编码404个氨基酸残基构成的蛋白质。1.2OCA酪氨酸酶基因(tyrosinasegene,TYR)、P基因、酪氨酸酶相关蛋白-1基因(tyrosinaserelatedprotein-1gene)和膜相关转运蛋白基因(membraneassociatedtransporterprotein,MATP)突变都可导致OCA的发生,由此将OCA进一步区分为4型,即OCA1-OCA4。1.2.1TYR基因与OCA1眼皮肤白化病Ⅰ型(OCA1)由酪氨酸酶(tyrosinase)基因异常引起,该基因定位于11q11-21,长度超过65kb,包含5个外显子和4个内含子,编码由529个氨基酸残基构成的酪氨酸酶蛋白。1.2.2P基因与OCA2OCA2是世界范围内常见的眼皮肤白化病类型,在非洲某些地区,发病率可达到1/3900。其致病基因P基因也称为OCA2基因,定位于15q11.2-12,全长250-600kb,有24个外显子,其中外显子1为非翻译区,外显子19转录后被选择性剪切。1.2.3TYRP-1基因与OCA3以前认为OCA3有两种相似的表型,即红色OCA(refousOCA,ROCA)和棕色OCA(brownOCA,BOCA)。近来有研究显示,BOCA可能是黑色人种中的OCA2。OCA3主要发生于黑色人种,在南非的发病率约为1/8500。TYRP-1基因定位于9p23,包含8个外显子和7个内含子,其中外显子1为非翻译区。1.2.4MATP基因与OCA4鉴于部分OCA患者并未检出以上基因的异常,有人早就推测还有其他基因座上的基因突变导致OCA的发生。2001年,首次确定膜相关转运蛋白(membrane-associatedtrans-porterprotein,MATP)基因为第4个OCA相关基因。MATP基因位于5p,其长度接近40kb,有7个外显子,编码530个氨基酸残基构成的蛋白序列。2．白化病的生化机理2.1人类的眼皮肤白化病Ⅰ型OCA1是由定位于11号染色体的酪氨酸酶(TYR)基因突变引起。酪氨酸酶是I型跨膜蛋白,为75KD的含铜糖蛋白酶。酪氨酸酶是黑素合成的限速酶,其在黑素合成过程中发挥酪氨酸羟化酶、多巴氧化酶和DHI氧化酶的作用,且其催化活性需要适当的黑素小体腔内pH值。最近发现,人的酪氨酸酶还有DHICA氧化酶活性,但小鼠则没有。在非黑素细胞,通过增加胞内细胞器的pH值,酪氨酸酶可被转运至高尔基体,并最终进入黑素小体。故影响酪氨酸酶在黑素小体膜上定位和黑素小体腔内pH的因素,以及酪氨酸酶功能改变,均可导致色素合成障碍。2.2眼皮肤白化病Ⅱ型OCA2的致病基因是定位于15q11.2-12的P基因,表达产物P蛋白为110KD的非糖化蛋白,定位于黑素小体膜上,含有12个跨膜区域。溶酶体相关性细胞器被认为含有ATP驱动的氢泵以产生腔内的酸性环境,同时阴离子必须被转运到黑素小体的腔内。P蛋白与一种已知的阴离子转运载体同源,它在黑素小体的酸化中起作用。Brilliant的实验提示,P蛋白转运阴离子以中和未成熟黑素小体中的高质子内容物。P蛋白的缺乏,引起腔内PH值或是膜电位改变,可能影响转运囊泡与前黑素小体的融合,导致它们的累积或是错误地导向溶酶体。P蛋白缺乏的小鼠黑素细胞同时缺乏TYR、TRP-1和P蛋白,提示P蛋白促进黑素小体其它相关蛋白的正确定位。2.3眼皮肤白化病Ⅲ型OCA3的致病基因是定位于9p23的TRP-1基因。TRP-1是Ⅰ型跨膜糖蛋白,由537个氨基酸残基组成,酪氨酸酶氨基末端的信号序列对于该酶的正确定位是必要的,突变导致的信号肽消失会引起酪氨酸酶的错误折叠以及迅速降解。酪氨酸酶胞液段的36个氨基酸如果缺失27-33个,会导致酶错误定位于细胞膜。TRP-1可能在酪氨酸酶活性的启动时起作用,小鼠的TRP-1有DHICA氧化酶活性,而人的没有。酪氨酸酶活性在TRP-1和TRP-2存在时更加稳定,表明TRP-1蛋白除了在黑色素合成中的酶催化作用外,也可能通过稳定酪氨酸酶来影响黑素合成。3．白化病的临床表现3.1眼部表现色素的缺失可导致患者虹膜颜色的改变,通常呈蓝色或灰色。虹膜的半透明使光线大量进入眼内,患者出现畏光,同时大量光线引发的散射造成患者注视困难。白化病患者视力一般会受到较大程度的影响,且视力低下不能通过佩戴眼镜和其他眼科治疗方法予以有效矫正。患者还可能出现水平或垂直方向眼球震颤。白化病患者黄斑发育受到影响,黄斑的形态与厚度出现异常。中心凹反光点消失,部分患者中心凹处甚至可见视网膜血管。黄斑中心凹界限不清,中心凹处视网膜较正常增厚。也有研究发现黄斑周围有异常血管形成。3.2眼外表现皮肤和毛发色素缺乏是最明显的临床表现眼皮肤白化病患者除眼色素缺乏及相关的眼部症状外,皮肤和毛发均有明显的色素缺乏,如皮肤白皙,毛发呈白色、金黄色或棕色。3.2.1.1OCA1A亚型其酪氨酸酶活性完全丧失,也称典型酪氨酸酶阴性型OCA,其皮肤、毛发、眼睛始终不能产生黑色素,白发、白肤等表现终生不变,并且在任何民族中都是如此。随着时间的推移,毛发可能变成微黄色,这可能由于日晒或者洗发剂等导致毛发蛋白变性的缘故。可出现无色素性痣,但不会发生有色性皮肤损伤。3.2.1.2OCA1B亚型与OCA1A亚型患者出生时毛发均呈白色,但OCA1B亚型随年龄的增长毛发逐渐增加,表现为金黄色、棕黄色等,因此,OCA1B又称为黄色OCA,这是由于突变基因编码的酪氨酸酶尚有部分残余的活性。OCA1B临床表现的变异范围较宽,从仅有极少量黑色素到皮肤毛发色素近乎正常都有可能。OCA1B也有眼部异常,程度轻重不等,但总体来说比OCA1A要轻一些。3.2.2OCA2是由P基因突变引起,酪氨酸酶的活性正常,表型一般较OCA1A轻,出生时毛发有少量色素沉着,呈浅黄色或金黄色,可随年龄的增长而加深,也可能终生不变。随着年龄的增长,OCA2型患者也会出现雀斑、着色斑和痣,但皮肤的白皙度一般不会因为日晒而有所改变。虹膜一般呈蓝色或者棕色,表型也随个人的种族背景不同而有所不同。对非洲黑人的棕色OCA来说,皮肤、毛发、虹膜均为棕色。4．白化病在我国的患病率调查纵观我国白化病群体调查可以看出:从地域上,我国东北地区和中东部地区的大部分省区,先后开展过规模不等的群体调查或普查,西南和西北大部份省区以及华南地区尚缺乏白化病普查资料;台湾、香港和澳门地区尚未检索到相关报道,见图2。图2已开展白化病患病率调查的省、市及地区示意图图中实点示已开展白化病患病率调查的省、市或地区,实点大小示调查样本的相对大小以上调查资料显示,我国不同地区的白化病患病率有所不同。从调查的数据看,东北地区白化病患病率相对较低,在0.035‰~0.0413‰之间。西北及西南地区,如甘肃、成都等省市,白化病患病率则较高,在0.11‰~0.18‰之间。中东部地区除江西省患病率(0.12‰)较高外,其他地区(如山东省、武汉市等)患病率居中。由此可见,不同地区的白化病患病率有所差异,这可能与各地区遗传背景、近亲婚配情况等因素有一定关系,也可能在一定程度上受调查样本大小的影响。综合全国各地迄今共计约400万人的群体调查资料,我国大陆白化病平均患病率为0.0513‰(1/19,476)。5．白化病产前诊断方法5.1胎儿头皮或皮肤毛囊活检电镜诊断上个世纪60年代,根据白化病患者皮肤或头皮毛囊黑色素细胞内酪氨酸酶的活性,人们将白化病分为酪氨酸酶阴性(tyrosinase-negtive)和酪氨酸酶阳性(tyrosinase-positive)两种。酪氨酸酶阴性的白化病患者,电镜下皮肤或毛囊黑色素细胞内只能看到发育早期的黑色素小体(Ⅰ期和Ⅱ期),无晚期(Ⅲ和Ⅳ期)黑色素小体;而酪氨酸酶阳性白化病患者,由于残存部分酪氨酸酶的活性,电镜下能看到Ⅲ期黑色素小体,但无Ⅳ期黑色素小体。1983年Eady等通过胎儿镜活检电镜检查,对一名来自中东地区曾生育过白化病患儿的孕妇,完成首例白化病的产前诊断。该孕妇妊娠20周,胎儿镜下见胎儿皮肤粉红色,头发稀疏,无色素沉着。取胎头后部头皮,电镜下可见黑色素细胞内Ⅰ期和Ⅱ期黑素小体,无Ⅲ期和Ⅳ期。1994年Shimizu等将妊娠20周正常胎儿皮肤毛囊黑色素细胞与左旋多巴孵育后,电镜下看到早期(Ⅰ-Ⅱ期)黑色素小体发育成熟为晚期黑色素小体(Ⅳ期),白化病患者却不存在这种情况。他通过超声引导下胎儿皮肤活检,成功诊断1例妊娠20周的白化病胎儿。同胎儿镜头皮活检电镜诊断的方法比较,超声下皮肤活检加左旋多巴反应电镜诊断操作更具有可行性、准确性和安全。目前为止,该方法仍是国外常用的产前诊断手段,限于酪氨酸酶活性阴性的白化病,仅能对一半左右的白化病做出产前诊断,受孕周限制。5.2胎儿镜直接诊断根据中国人种族黑发的特征,通过胎儿镜观察胎儿头发颜色,可直观诊断胎儿是否患有白化病。上世纪80年代初,北京协和医院开始使用胎儿镜进行白化病的产前诊断。协和医院的资料显示:1986-2004年12月24年期间共检查高危孕妇114例,检出白化病胎儿23例,误诊3例。胎儿镜检查所致自然流产率可达5%。由于存在手术中羊水血染、胎儿位置不好或者胎儿尚未长出毛发等原因,约15%-20%胎儿得不到确切的诊断。通过肉眼观察胎儿头发颜色,有可能将胎儿毳毛看成胎儿头发,导致误诊。另外,OCA2及OCA4型白化病胎儿头发可能是黄色或棕黄色,与正常胎儿头发颜色存在一定重叠,判断是否为患儿较困难。同胎儿皮肤、毛囊活检电镜诊断比较,胎儿镜直观诊断较方便,快速,但因受主观因素影响较大,影响结果的准确性。5.3产前基因诊断1994年日本Shimizu等完成首例白化病产前基因诊断,他先提取先证者及其父母外周血白细胞DNA,利用PCR扩增、等位基因特异性寡核苷酸法(ASO)检测TYR基因第1、2号外显子,发现先证者为2号外显子插入碱基C的突变纯合子,而父母分别为携带插入碱基C突变的杂合子。明确该家系基因突变后,妊娠14周时行羊膜腔穿刺获得羊水细胞,提取胎儿基因组DNA进行基因分析,诊断胎儿为杂合子并经分娩证实。1995年Falik-Borenstein等利用PCR扩增、SSCP-HDX(heteroduplex)方法为一名曾生育白化病患儿的孕妇在