【眼科遗传病】PAX6在眼科基因解码、基因检测中的重要性

佳学基因解码揭示典型型无虹膜与PAX6基因的杂合子缺失突变密切相关。PAX6的全称是是PAIRED-BOX 6, 在OMIM中的编号是607108，定位于11号染色体的31784792到31811353之间。

基因解码技术中比较定位数据表明，人类无虹膜与小鼠的Sey表型是类似的。Sey是杂合型小眼畸形鼠模型，后来又显示出虹膜发育不全、白内障和角膜混浊的特征。Pax6与其他Pax基因一起从小鼠表达文库中分离出来。同时，该基因又采用基因解码技术中的位置克隆中技术再次确认，并在人无虹膜症患者发现缺失。同时对Sey等位基因的分析证实了Pax6和半显性Sey之间的因果关系。

通过基因解码确立人类PAX6突变与半显性Sey之间的联系过程中也揭示了该基因的剂量效应。外显子联合会（ExAC）用单倍不充分性量化了这一性质），PAX6的功能丧失不耐受评分pLI为1.00。PAX6单倍体不足导致无虹膜，整个基因复制会导致非无虹膜眼畸形。纯合性功能丧在人和小鼠中都是围产期致死基因。

基因解码PAX6的结构与结构

PAX6是一种高度保守的转录因子，对控制眼和神经发育至关重要。除了协调发育中的眼睛外，它还表达于中枢神经系统和胰腺，以及角膜、大脑和胰腺等参与体内平衡的成人组织。

典型的人类PAX6编码422个氨基酸，46.7kDa蛋白质。而不太丰富的，选择性剪接的PAX6（5a）亚型（436氨基酸，48.2kDa，UniProt P26367-2）在Gln47和Val48之间含有额外的14个残基，由第5a外显子编码（图3a）。PAX6包含两个DNA结合结构域，二分体配对结构域（图3b）和同源结构域，以及富含脯氨酸-丝氨酸-苏氨酸的C末端反式激活结构域。配对域和同源域可以相互合作和独立地与DNA结合，扩大了目标的范围（Jun和Desplan，1996）。第三种亚型是由一个额外的内部启动子产生的（Carrière等人。1995年；Kim和Lauderdale，2006年），这种亚型及其他可能产生的转录本亚型，仍然是基因解码正在关注的问题。

PAX6在细胞内主要定位在细胞核内。通过基因解码已在成对结构域和同源结构域附近明确核定位信号。不过，PAX6也存在非核定位现象。在鸡视网膜中，PAX6在神经节细胞和内核层是核定位，在感光细胞和外核层是细胞质内定位（Shin等。2003），这说明PAX6参与细胞内的多种生物学过程。在鹌鹑和线虫中，成对结构域不存在的形式定位在细胞质中。在小鼠大脑中，SPARC和Pax6存在相同的位置，并且实际上存在相互作用用。基因解码认为SPARC促进Pax6核胞质穿梭，这一作用也被证明在Karyopherin 13中。

在PAX6（5a）中，成对结构域的α螺旋2和3之间的额外14个氨基酸调节其结合和反式激活能力，优先结合采用C-末端结构域与DNA结合，充当分子开关。成人PAX6（5a）与典型PAX6的比值高于胚胎组织，PAX6（5a）亚型在产后眼部发育中具有潜在作用。目前其他PAX6转录本也可能具有调控作用，正在进行深一步的基因解码。

因此，PAX6能够通过选择性剪接以及通过使用不同的DNA结合域来增加其调控目标分子的目标多样性。此外，通过与其他转录因子（如SOX2）的合作结合来实现微调。Pax6的在虹膜发育过程中的靶点包括转录因子例如，Six3和Foxc1，信号分子（如Wnt）和晶体蛋白[如αA-晶体蛋白（Cvekl等人。1994年）。当这些PAX6靶基因在人类中突变时，会形成不同的眼部特征：SIX3的错义突变导致小眼畸形、结肠瘤和无前脑畸形（MIM#157170）；FOXC1突变导致前段发育不全（MIM#601631），αA-晶体蛋白（CRYAA）突变导致白内障（MIM#604219）。同样，SOX2、BMP4和MAB21L2的杂合子突变与综合征性小眼畸形（分别为MIM#206900、#607932）。

基因解码已经描述了一些PAX6基因的调控网络。一个漂亮的例子是Pax6和Pax2之间的相互抑制确立哺乳动物中的视网膜视神经边界。PAX2突变导致人类乳头状肾综合征（MIM#120330）。最近，基因解码中的染色质共沉淀技术揭示Pax6作为眼球透镜分化网络的一部分直接调节Prox1和MAB211L1。

PAX6的转录激活需要顺式调节元件的协同作用，这些调节元件大多在哺乳动物和斑马鱼之间保守。而这些最初是在人类易位的染色体异位病例中首先明确的。

PAX6突变谱

反映了破坏PAX6功能的多种可能方式，报告了472个独特的序列变体（LOVD PAX6数据库，版本170616，http://lsdb.hgu.mrc.ac.uk/home.php？选择_db=PAX6）。所有种类的序列变异都存在，没有一个蛋白质结构域幸免。十个最常见的无虹膜变体在图3中有标记。而表型特征从轻度虹膜发育不全到围产期致死率。

单等位基因突变

可能的基因破坏性变体

最常见的基因内变异是通过单核苷酸替换编码的，导致过早终止密码子（PTC），其中p.Arg240*、p.Arg317*和p.Arg203*是三个最常见的报告（LOVD数据库中的129个报告）；这些变异的hospot对应于CpG二核苷酸（Tzulaki等人。2005年）。移码插入、缺失和复制，以及许多剪接位点突变，也属于这类可能的基因破坏性变异。预测最后一个编码外显子-外显子连接上游的PTCs > 50–55核苷酸将受到无义介导衰变（NMD）的影响。尽管这一NMD规则可能有例外（Isken和Maquat 2007；Kervestin和Jacobson 2012），但人类表型缺失等位基因的已知截断突变（Tzoulaki等人。2005年）。除了上述经典无虹膜表型外，一些可能的基因破坏性变体似乎是低形态的，尽管较温和的表型似乎更常见于错义变体（Hingorani等人。2009年）。

错义变体

PAX6的错义突变，可能导致结构和功能改变的全长蛋白质的产生（Mishra等人。2002年），从而导致经典无虹膜和非经典表型，征状包括视神经异常（Nallathambi等人。2006年），变形表型，如异位瞳孔（Hanson等人。1999年）和更严重的小眼畸形（Williamson和FitzPatrick，2014年；Chassaing等人。2014年）。除了典型的PAX6外，在5个伴有或不伴有中央凹发育不全和白内障的先天性角膜混浊的日本家族（至少3个无关家族）中，PAX6（5a）亚型中还发现了两个错义变异序列：p.5aGlu13Arg（1例）（Nanjo等人。2004年），其余的是p.5aVal7asp，功能研究表明PAX6（5a）在结合和反式激活方面有细微的变化（Azuma等人。1999年）。数据库中许多错义变异序列（除了许多剪接位点和阅读框内缺失）编码的蛋白质的结构和功能尚未通过实验确定。与大多数PTC不同，错义突变对患者的表型的影响取决于它们在蛋白质中的位置。例如，PAX6的C末端氨基酸的错义突变损害了通过同源结构域介导的反式激活（Singh等人。2001年）。

C末端扩展

预测会导致C-末端延伸的移码重复和替换是非常常见的（34个数据库报告；图3），一些突变是导致渗出性视网膜病变等疾病表征的基因原因（Hingorani等人。2009年）。

较大的缺失和染色体重排

染色体重排和全部或部分基因缺失，从而破坏PAX6的功能是三分之一的散发性无虹膜病例的发病原因，也见于一些家族病例（Crolla和van Heyningen，2002年），因此，总的来说，这些约占所有无虹膜病例的10%（Robinson等人。2008年；Bobilev等人。2015年）。下面讨论连续的基因缺少导致的WAGR综合征。

破坏PAX6顺式调控的变异序列

通过对无虹膜患者易位和倒位断点的分析，基因解码明确了几个破坏PAX6远距离调节的致病等位基因。它们分别位于PAX6下游序列的11kb和22kb（Lauderdale等人。2000年），125 kb和150 kb处，这些序列被称为SIMO元件。对SIMO元件的分析表明，这是一个自我调节结合位点。在这个元件发生基因序列突变，会破坏PAX6的维持，产生PAX6杂合子缺失或PTC相同的疾病表征。PAX6调节区的突变现在更容易通过基于阵列的比较基因组杂交检测到。基因解码技术在5名无虹膜患者中，发现了缺失包括可能参与调控的区域，并提出了一个跨越244kb的转录激活“关键区域”。

双等位基因突变

PAX6中的双等位基因突变和两个可能的基因破坏性等位基因可导致严重的中枢神经系统缺陷，伴有无眼症和围产儿致死（Glaser等人。1994年；Schmidt Sidor等人。2009年）。在一个21三体的存活的复合杂合子儿童中报告了同样严重的眼部表型（Solomon等人。2009年）。两个可以存活的复合杂合子家族发现无虹膜或缺损，但没有严重的系统性影响。基因解码分析患者体内存在一个可能的基因破坏性突变和一个低形态错义等位基因的复合杂合突变。

其他形式的PAX6相关眼病

与PAX6突变相关的明显表型包括彼得斯异常和其他前节段发育异常（Prokudin等人。2014年），眼缺损和小眼畸形，视神经异常，瞳孔异位和眼球震颤等。常见的是经典无虹膜症的非虹膜特征，有时独立存在，有时是与其他特征联合出现，这包括白内障、中央凹发育不全、青光眼和角膜病变（Sale等人。2002年；Hever等人。2006年）。这些表征中的大多数可以被认为是经典无虹膜症的不同表现形式。

经典无虹膜症的遗传鉴别诊断

虽然经典的无虹膜病仍然被认为是一种单基因疾病，但有无虹膜样疾病特征发生在其他两个前段疾病基因的突变。其中包括两例PITX2突变，一例为基因内突变（Perveen et al。2000年）和一个末端调节突变（Ansari等人。2016年）和7例FOXC1突变。后者中有三例是错义病例（Ito等人。2009年；Ansari等人。2016），四个是全基因缺失（Sadagopan等人。2015年；Ansari等人。2016年）。在这9例无虹膜的病例中，7例已知为先天性青光眼（1例未知），其中许多表现在婴儿期牛眼症，提示这在FOXC1相关的无虹膜症中比PAX6相关无虹膜症更常见。

基因解码研究过程中记录了一个无虹膜家系，在11p13上，与PAX6相距约4mb的TRIM44中有一个具有性状分离特点的错义突变。因为，只有一个案例报道，而且仅有体外功能数据支持的单一系谱。还有一些无虹膜症患者未发现有明确的致病基因，基因解码研究人员仍在不断努力中。

在对42例PAX6阴性无虹膜病例进行阵列CGH（比较基因组杂交）分析后，确定了上述一些病例（Ansari等人。2016年），但还有27/42的不明病例。Gillespie综合征病例已显示有ITPR1突变（McEntagart等人。2016年；Gerber等人。2016年）。我们估计尝未进行致病基因鉴定的经典无虹膜病例约占5%。

【眼科遗传病】PAX6在眼科遗传病基因解码、基因检测中的重要性

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