【佳学基因检测】颜色视力障碍发生的原因及其基因检测

1、色盲与色弱基因检测

色盲是一种视网膜疾病，主要表现为色觉障碍，特征为全色盲、红绿色盲和蓝黄色盲。随着基因解码技术的发展和生命活动发生的理论基础的进步，人们对色盲的基因信息基础进行了广泛的研究，并探索了各种治疗方法。《颜色视力障碍发生的原因及其基因检测》旨在全面回顾色盲的病理机制、临床症状和治疗方案的最新进展。此外，色弱色盲基因检测项目组还讨论了为治疗色盲而开发的各种方法，包括基因治疗、药物干预和视觉辅助。此外，色弱色盲基因检测项目组重点介绍了这些治疗方法的临床试验的良好结果，以及为实现有效和持久的治疗效果必须解决的持续挑战。总的来说，这篇综述为色盲的当前研究状况提供了宝贵的见解，旨在为进一步研究和开发这种疾病的有效治疗方法提供参考。

2、颜色视力障碍发生的原因及其基因检测关键词

色盲、全色盲、视锥细胞、机制、治疗

3、视觉产生的基因解码

根据《人体基因序列变化及疾病表征》视觉是人类最重要的信息来源之一。人类视觉系统依赖于位于视网膜内的两种光感受器（图1A），即视杆细胞和视锥细胞。人类视网膜含有约9000万至1.2亿个视杆细胞，而视锥细胞只有400万至600万个。视杆细胞位于除中央凹以外的所有区域，而视锥细胞则聚集在中央凹。其中，视杆细胞负责夜视，即黑白视觉。它们非常敏感，可以可靠地接收单个光子的信号。然而，这种高灵敏度使视杆细胞容易受到饱和的影响；因此，例如，人类的视杆单色视者（视网膜缺乏功能性视锥细胞的人）即使在白天光照水平较低的情况下也会出现光盲。视锥细胞负责日间视觉和彩色视觉。视锥细胞的敏感度比视杆细胞低100到1000倍。视杆细胞和视锥细胞敏感度不同的主要原因是视锥细胞能够更快地终止对光的反应。这确保了视锥细胞不会饱和，并在自然界中可用的最大强度下提供有用的视觉。当视锥细胞功能受损时，可能会导致色盲。

色盲是一种视锥细胞功能障碍综合征 (CDS)，是一种色觉疾病，包括先天性和后天性。患有这种疾病的患者无法区分自然光谱中的一种或多种颜色。先天性色觉疾病是一种通过染色体遗传的遗传性视网膜疾病 (IRD)，影响男性和女性，但男性发病率更高。后天性色觉疾病有多种原因，包括眼部和神经系统疾病、某些代谢性疾病、药物毒性和接触某些溶剂。此外，研究表明，青少年和成年早期长期接触酒精会导致视力缺陷并损害色觉。

色弱色盲基因检测项目组对色盲的认识起源于1602年一位中国医学家的记述。无独有偶，英国物理学家、化学家罗伯特·波义尔也在1688年的文章中描述了一例“视力障碍”病例。波义尔写道，女仆有时“想采紫罗兰”，但“她跪在紫罗兰生长的地方，无法通过颜色区分野草和花朵，只能通过形状或感觉”。约100年后，英国化学家、物理学家道尔顿也发现了自己和弟弟的色盲现象，并于1793年发表了《论色盲》。为了纪念他的成就，先天性红绿色盲又被称为道尔顿病。

随着现代科学认识（包括遗传学）的发展，人们对色盲的认识也越来越深入。先天性色盲分为全色盲（ACHM）、红绿色盲和蓝黄色盲。

全色盲是一种常染色体隐性遗传的视网膜疾病。这种疾病影响视网膜中的三种视锥细胞，导致视锥细胞完全丧失功能，视力下降，色觉完全丧失，只剩下辨别明暗的能力，常伴有畏光、眼球震颤等现象。

红绿色盲（anerythrochloropsia）是一种 X 染色体上携带的隐性疾病，分为红色盲（红色盲）和绿色盲（绿色盲）。这种疾病是最常见的色觉障碍类型，约占所有色觉障碍的 95%，是最常见的单基因座遗传疾病。患者无法区分红色和绿色。

蓝黄色盲（蓝色盲）是一种常染色体显性遗传病，其特征是无法识别蓝色和黄色，尽管患者可以识别红色和绿色光谱。

除了以上严重色觉障碍的疾病外，视锥细胞功能障碍综合征 (CDS)还包括一些严重程度较低的疾病，如色弱、少锥三色视觉（OT）和视迟钝。色盲和色弱之间的界限并不十分清晰，有些患者在光线昏暗时接近色盲。色弱包括全色弱、红绿色弱和蓝黄色弱。

全色盲（achromatopsia）指的是完全丧失色觉，患者只能感知黑、白和灰色。而部分色觉障碍（如色弱或部分色盲）是色觉障碍较轻的情况。全色盲患者通常伴随其他视力问题，如光敏感（畏光）、低视力或眼球震颤，并非没有相关视力异常或并发症。全色盲患者在任何光照条件下都无法感知颜色，而色弱患者在明亮条件下通常可以正常区分大多数颜色，但在弱光环境下区分颜色可能会变得更加困难。

红绿色盲症包括红色盲症（红色弱视）和绿色盲症（绿色弱视），影响患者辨别红色和绿色的能力。在昏暗的灯光下，患者接近红绿色盲，而在明亮的灯光下，患者接近正常。红色弱视的患病率约为 1.08%，而绿色弱视的患病率约为 4.63%。

蓝色色弱（三色盲），类似红绿色弱，辨别蓝色的能力较差。患者在光线暗时接近蓝黄色盲，在光线亮时接近正常。患病率约为0.2%。

目前，色盲发生率男性约为5%，女性约为0.7%，色盲基因携带者频率估计为8.98%，其中完全色盲患病率估计为3万分之一，红色盲患病率约为1.01%，绿色盲患病率约为1.27%，蓝黄盲患病率约为0.2%。

少锥三色视觉（OT）的特征是 ERG 评估中视锥细胞功能严重受损，同时伴有正常或接近正常的色彩辨别能力。1973 年，Van Lith 首次描述了这种病症，他报告说，一个男孩尽管视力较差，明视 ERG 反应减弱，但色觉却几乎正常。据推测，这是由于正常功能视锥细胞数量较少，这三种视锥细胞类型之间的分布比例保持正常，因此保留了三色视觉。

视迟钝是一种影响视力的罕见疾病。“视迟钝”一词源于希腊语，意为视力迟钝。患有视迟钝的人的眼睛对变化的光照条件的适应速度比平常慢。视迟钝首次报道于 1991 年，当时有四名荷兰患者出现该病，他们对一对明亮刺激闪光中的第二个闪光的 ERG 振幅反应抑制间隔异常长。据推测，这是由于视觉通路信号传导过程的正常快速再生出现缺陷所致。视迟钝（希腊语意为视力迟钝）一词于 2004 年被创造出来，用来描述这种静止的视网膜表型，患有视迟钝的患者难以适应视锥细胞介导的亮度水平的突然变化，也难以看清移动的物体。

有人认为，色觉障碍患者在夜间视觉任务中具有相关优势。但这种假设显然经不起推敲。色觉障碍不仅影响患者的日常生活，例如无法识别交通信号灯、无法看到色彩斑斓的世界，还会对患者的就业产生负面影响，使他们无法从事航空、航海、工程和军事领域的工作。因此，尽早诊断色觉障碍十分必要。

为了挽救色觉障碍患者的视力，解决色觉障碍的病理机制，寻找正确有效的治疗方法是当务之急。《颜色视力障碍发生的原因及其基因检测》简要综述了相关领域的进展。

4、色盲色弱临床症状和及其根源的基因解码

4.1 完全色盲（全色盲）

4.1.1 全色盲的临床症状

全色盲患者的视锥细胞功能完全丧失，色觉丧失，视力较差（<0.1），并伴有眼球震颤、畏光和偏心注视。远视很常见，有大量屈光不正的报道。然而，全色盲患者的视杆细胞功能正常，暗适应能力比正常人更快。多数情况下眼底镜检查正常，但也有例外，也有报道发现眼底色素沉着、黄斑小颗粒及黄斑缺损等。

随着基因技术的不断进步，色弱色盲基因检测项目组对全色盲的理解也不断加深。此外，新兴技术和设备为 ACHM 的研究、诊断和治疗提供了更好的支持，包括光学相干断层扫描 (OCT) 和自适应光学扫描激光检眼镜 (AOSLO) 的实施。OCT 能够通过对应于感光细胞各个方面的外部高反射带评估体内视网膜结构。尽管如此，传统的 OCT 设备缺乏区分单个感光细胞（特别是视杆细胞和视锥细胞的结构）所需的横向分辨率。因此，OCT 只能对 ACHM 中的感光细胞结构进行一般评估。但是，借助自适应光学扫描激光检眼镜 (AOSLO)，色弱色盲基因检测项目组可以以细胞水平的分辨率捕获视杆细胞和视锥细胞的非侵入性图像。

随着技术和设备的进步，除了典型症状之外，还发现了与致病突变相关的其他症状。某些研究表明，GNAT2 突变可以使一些 ACHM 患者保留部分色觉。一项研究表明，色觉的保留可能与导致某些功能性蛋白质的变异有关。尽管 ACHM 传统上被认为是一种终生稳定的疾病，但最近的研究表明，患有 CNGA3、CNGB3和 PDE6C变异的患者有证据表明视锥细胞逐渐受累，甚至影响视杆细胞。后续研究还表明，除了 ACHM，PDE6C 突变还可导致视锥细胞营养不良（CD）和视锥-视杆细胞营养不良（CRD）。全视野 ERG 显示严重的视锥系统功能障碍，但短波敏感性相对保留，类似于另一种罕见的 ACHM（GNAT2-ACHM）和蓝色视锥单色病变。近视和缓慢进行性的黄斑病变是 PDE6C 突变患者的共同特征。在 CNGA3 或 CNGB3 突变导致的 ACHM 患者中，约 70% 的病例椭圆体带 (EZ) 带（又称内节/外节 [IS/OS] 带）发生破坏或缺失。此外，迄今为止，在所有 ATF6-ACHM 患者中均观察到中心凹发育不全，且中心凹形成极少。且相关研究资料显示，ATF6 基因突变导致的 ACHM 几乎没有椎体结构，锥体基因治疗的靶点更少。

全4.1.2 色盲的分类

目前，已发现6个引起全色盲的基因，包括CNGA3、CNGB3、GNAT2、PDE6C、PDE6H和ATF6。其中，CNGA3、CNGB3、GNAT2、PDE6C和PDE6H均编码视锥细胞特异性蛋白。超过70%的ACHM病例由CNGA3和CNGB3基因突变引起，其中CNGB3基因突变导致的ACHM病例比例达到50%。其余四个基因突变占病例的不到6%~8%。其余 24% 的无法解释的病例可能是由于未检测到的致病基因或未确定的突变造成的。

为什么一个人会出现全色盲？

视杆细胞和视锥细胞由四个主要结构和功能区域组成：外节、内节、细胞体和突触末端（图 1B）。外节密集地堆积着一叠间隔约 28nm 的膜盘。这些膜盘含有视觉色素（视杆细胞中的视紫红质和视锥细胞中的视锥色素）和其他转导成分，这些成分可以是跨膜蛋白或外周膜蛋白。视觉色素是外节中最丰富的蛋白质。视杆细胞和视锥细胞之间一个有趣的差异是，视杆盘（不包括外节底部的新生盘）完全内化，因此与质膜物理分离，而视锥盘则保持质膜的折叠状态。开放的锥形盘提供了更大的表面积，使物质能够在细胞外部和内部之间快速转移。这有助于色素再生的生色团的有效转移和光线调节过程中钙的快速动态变化。

视杆细胞和视锥细胞的外节不断更新。外节底部新形成的视盘逐渐将先前形成的视盘推向顶部。节间视盘位于侧节的顶端，每天脱落，并被邻近的视网膜色素上皮细胞（RPE）吞噬。视盘形成和脱落的速度大致相等，从而确保成人视网膜的外节长度相对恒定。

内节含有大量的内质网 (ER) 和高尔基体。为了满足与光传导相关的高代谢能量需求，存在大量的线粒体。所有前往外节的蛋白质都必须穿过外节和内节之间的狭窄通道。

突触末端将光信号转换成电信号，并将它们传输到视网膜中后续的神经元：双极细胞和神经节细胞。在黑暗中，外节膜上阳离子的流入产生稳定的内向电流（“暗电流”），使视杆或视锥细胞去极化，并维持突触中谷氨酸的稳定释放。光信号阻止阳离子的流入（“感光”电导，由 cGMP 门控通道组成）以阻止暗电流并产生膜超极化。这种超极化会减少或终止谷氨酸的释放。然后，信号被视网膜中的其他神经元进一步处理，然后传输到大脑的更高级中枢。

人类对阳光和颜色的视觉依赖于三种功能齐全的视网膜视锥细胞。但视锥细胞不仅负责提供颜色视觉，还负责介导高敏锐度空间视觉、无彩色黑白视觉和中央视力。对短波长（蓝色）、中波长（绿色）和长波长（红色）敏感的视锥细胞，即 S 视锥细胞、M 视锥细胞和 L 视锥细胞，分别表达对特定波长的光敏感的视觉色素（视锥蛋白），峰值光谱敏感度分别为 419、531 和 560 nm（图 1C）。但不同类型的视锥细胞对很宽范围的光波长作出反应，因此它们具有重叠的敏感度曲线。视锥色素由11-顺式视网膜和视蛋白组成。所有真兽类哺乳动物的视锥色素都具有相同的11-顺式视网膜发色团。视蛋白与发色团的结合会使发色团的吸收光谱红移，而视蛋白之间的氨基酸序列差异是造成每种视锥色素光谱特性不同的原因。视锥细胞对光线的变化反应非常迅速。即使在昏暗的光线下（响应最慢），也只需要 20 毫秒就能达到视锥细胞对叠加闪光的峰值响应。随着背景强度的增加，视锥细胞的响应变得更快，在非常明亮的光线下，明视觉系统可以检测到周围视网膜中超过 100 Hz 的闪烁。在人类视网膜中，L 视锥细胞和 M 视锥细胞约占视锥细胞总数的 95％。它们以六边形图案密集地排列在中央凹，即小凹中。S 视锥细胞位于视网膜周边，在人类的小凹中并不存在。颜色识别取决于特定波长的光刺激对视锥色素的差异激发以及刺激后受体的正确处理。当一个或多个视锥细胞的功能丧失或改变（由视蛋白基因突变、缺失或重排引起）时，就会发生色觉障碍。

完全色盲是一种罕见的常染色体隐性视网膜疾病，由三种视锥色素完全丧失功能引起，也称为视杆单色症。除ATF6（激活转录因子6）外，CNGA3、CNGB3、GNAT2、PDE6C和PDE6H基因均编码视锥细胞的光转导级联成分，负责将光信号转换为电信号和钙信号。其中任何一个基因的突变都会导致整个光转导级联系统的瘫痪。

CNGA3（ACHM2，OMIM600053）基因位于2号染色体上，编码视锥细胞CNG通道（环核苷酸门控离子通道）的α亚基（表1）。CNGB3（ACHM3，OMIM605080）基因位于8号染色体上，编码视锥细胞CNG通道的β亚基。CNGB3是欧洲和北美主要的ACHM致病基因。CNG通道是由α亚基和β亚基组成的异四聚体，是视锥细胞光转导级联组装的关键组分。虽然最近的研究表明，临床上无法区分由CNGA3或CNGB3突变引起的ACHM，但它们之间存在很大差异。先前研究表明，CNGA3是一个离子传导亚基，CNGA3同源通道在异源表达系统中完全具有功能性。但CNGB3单独表达时，不能在异源表达系统中形成有功能的同源通道。因此，β亚基仅被认为赋予CNG通道复合物特定的生物物理性质和调控锥体CNG通道的功能，而α亚基被认为是主要亚基。相关研究也指出，CNGA3基因突变大多为错义突变，导致CNG通道失去功能。CNG通道的工作机制是，在黑暗条件下，光感受器外cGMP浓度较高，使CNG通道保持开放，阳离子内流，而光刺激导致cGMP水平下降，CNG通道关闭，终止稳定的内向电流，从而产生膜超极化信号，减少光感受器突触的谷氨酸释放。有研究指出，自发性CNG通道活动引起的视锥细胞变性可能是色盲的致病因素。

表 1.ACHM致病基因。

GNAT2 (ACHM4, OMIM139340) 基因位于 1 号染色体上，编码视锥细胞特异性 α 亚基，这是一种与视锥感光器外节中的视锥细胞色素偶联的异三聚体 G 蛋白。β 和 γ 亚基与光激活的光色素相互作用，将 GTP 与 GDP 交换，从而释放 α 亚基。激活的 GTP • 转导复合物结合并激活磷酸二酯酶，随后水解 cGMP，从而有效降低其细胞内浓度。这导致 cGMP 门控通道关闭，随后膜超极化。迄今为止发现的所有 GNAT2 突变都会导致翻译过早终止和蛋白质在羧基末端截短。Felden 等人最近的一项研究。指出，在 1,116 个独立 ACHM 家族队列中，由 GNAT2 突变导致的 ACHM 患病率估计为 1.7%（图 3）。

PDE6C (ACHM5, OMIM600827) 位于 10 号染色体上，编码锥体磷酸二酯酶 (PDE) 的催化 α 亚基。PDE 是脊椎动物光转导系统的第三个组成部分，是一种四聚体蛋白质，由两个同等活性的催化亚基 α 和 β 以及两个相同的抑制亚基 γ 组成。在黑暗中，两个 γ 亚基通过结合两个催化亚基并阻止 cGMP 水解而充当抑制亚基。PDE 通过两个催化亚基的 C 末端的异戊二烯化锚定在盘膜上。据报道，PDE*水解cGMP的速率接近水相扩散极限，Km约为10μM，K cat为2 200 s −1。光转导开始后，转导蛋白收缩其抑制性γ亚基，激活PDE6C。紧接着级联的最后一步，活化的PDE6C水解cGMP，导致锥体外系阳离子通道关闭，继而使光感受器膜超极化。PDE6C基因突变导致其功能丧失，使得细胞内cGMP的水解水平降低，从而引起cGMP水平升高。cGMP水平升高主要导致锥体外系节段cGMP门控通道过度开放，致使Ca 2+内流不受限制。 CGMP门控通道属于环核苷酸门控（CNG）通道家族，是一种非选择性阳离子通道。该通道位于感光细胞的质膜上，是光转导激活阶段的最后一个成分。在黑暗条件下，一至数微摩尔cGMP的基础浓度可使少数CNG通道保持开放，光照后cGMP浓度下降，导致通道在亚毫秒级延迟内迅速关闭。相关研究表明，胞质中cGMP和Ca 2+离子浓度不受控制的升高可导致视锥细胞死亡。最近由Weisscheh等研究发现， cGMP和Ca 2+离子在细胞质中起着至关重要的作用。估计在 1,074 个独立 ACHM 家族中 PDE6C 突变的患病率为 2.4%。PDE6C 突变导致的 ACHM 研究得出了相互矛盾的结果，Thiadens 等人在 5 名 PDE6C 患者（20%）的队列中得出结论，ACHM 通常是一种进行性疾病。然而，Hirji 等人在 1 名 PDE6C 受试者（2%）的队列中得出结论，ACHM 主要是一种静止性疾病。这个问题需要进一步研究。

PDE6H (ACHM6, OMIM601190) 位于 12 号染色体上，编码锥体细胞磷酸二酯酶抑制 γ 亚基。PDE6H 突变在功能上意味着 PDE 活性持续增加，外锥节段的 cGMP 水平降低，cGMP 门控通道永久关闭，类似于持续光刺激。一项研究估计，在 680 个独立的 ACHM 队列中患病率为 0.3%。

ATF6 (ACHM7, OMIM605537) 是位于 1 号染色体上的广泛表达基因，编码环磷酸腺苷依赖性激活转录因子 6α，在未折叠蛋白反应 (UPR) 和内质网稳态中起关键作用。ATF6 位于常染色体隐性视锥杆营养不良 (CORD8) 基因座，该基因座之前被定位到1q12-q24 染色体上的 11.53 cM 区域。 ATF6是调控UPR的三种跨膜蛋白之一，在内质网应激时被激活，转录上调内质网分子伴侣和内质网蛋白折叠酶，有助于缓解内质网应激，恢复细胞稳态。当视锥细胞因过度光损伤而陷入内质网应激时，ATF6可介导早期UPR，缓解内质网应激，恢复细胞稳态。此外，ATF6还能激活IRE1（肌醇需要酶-1），介导晚期UPR，在此过程中ATF6活性降低，严重或持续的内质网应激可导致细胞凋亡。内质网应激引起的细胞凋亡被公认为包括ACHM在内的视网膜退行性疾病的常见通路。ATF6基因的致病序列变异导致这一关键信号通路的功能障碍，而这对光感受器细胞作为人体代谢中最活跃的细胞之一尤其有害。最近的研究表明，ATF6通路不仅在光感受器细胞中对色觉至关重要，而且在视网膜内层也起着重要作用，是治疗遗传或获得性视网膜疾病的潜在靶点。研究表明，由ATF6突变引起的ACHM病例比例不到2％。

由于视锥细胞数量稀少、COS（视锥外节）易碎等诸多原因，视锥细胞的光转导机制尚不能准确描述，但其机制与视杆细胞的光转导机制大体相似，视锥细胞和视杆细胞光转导的激活过程并无本质上的区别。这里色弱色盲基因检测项目组以视杆细胞的光转导机制为例：

首先是视紫红质的活化，一个光子被位于视杆细胞外节的视紫红质分子吸收，使11-顺式视黄醛（视锥细胞和视杆细胞的发色团）异构化为全反式视黄醛，从而诱导视紫红质分子结构发生构象变化，成为活化形式R*。

第二，G 蛋白的激活。所有蛋白质都在视盘膜内（或表面）移动，因此它们会横向扩散；因此，激活的 R* 和失活的 G 会瞬间接触并结合。在这种 R*-G 状态下，与 G 蛋白 α 亚基 (Gα) 结合的 GDP 分子被释放，从而使细胞质中的 GTP 分子结合到其位置。这个过程称为核苷酸交换，可激活 G 蛋白（形成 G-GTP），然后 G 蛋白与 R* 分离。最重要的是，激活的视紫红质 (R*) 不会因这种相互作用而发生任何改变，因此它可以通过扩散与另一个 G 蛋白分子接触，再次触发核苷酸交换。在 R* 保持活性的同时，这个过程可以无限重复，因此 R* 可被视为一种催化大量 G 蛋白分子激活的酶。激活的 G 蛋白表示为 G*。

第三，PDE 的活化。由于横向扩散，G* 与 PDE 接触并与其两个受调控的 γ 亚基之一结合，从而以色弱色盲基因检测项目组表示的 PDE* 形式部分激活 PDE。随后，第二个 G* 可以与第二个 γ 亚基结合，从而完全激活 PDE。与步骤 2 不同，这种激活没有放大效应：单个 G* 最多只能激活一个 PDE 催化亚基。

第四，环鸟苷酸环化酶（cGMP）的水解。在暗静息状态下，鸟苷酸环化酶（GC）合成环鸟苷酸与正常PDE缓慢水解环鸟苷酸之间存在稳定的平衡，因此胞浆内环鸟苷酸浓度稳定、适中、适宜（几微摩尔）。当受到光刺激时，视盘蛋白被激活（步骤1-3），由此产生的PDE*激活使环鸟苷酸水解速度加快，从而降低环鸟苷酸浓度。

最后，离子通道关闭。在黑暗条件下，环鸟苷酸在静息浓度下与细胞质膜中的一部分离子通道结合并保持开放。虽然这一比例很小（通常只有百分之几），但开放通道的数量足以传导在黑暗条件下流入外节的大量阳离子电流（数十 pA）。当环鸟苷酸的浓度在光照下下降时，环鸟苷酸会从通道上解离，导致通道关闭，从而产生细胞的电反应——循环电流减少，随之而来的是超极化（图 3）。

虽然潜在机制表现出广泛的相似性，但存在显著的区别。首先，在视锥细胞中，接收入射光信号的是视锥视觉色素而不是视紫红质。其次，体外生化分析一致表明，视锥视觉色素的激活速度比视紫红质慢 2-5 倍。这已在人类、小鼠和鸡中得到证实。第三，视锥细胞特异性视紫红质激酶 (G 蛋白偶联受体激酶 7，GRK7) 的磷酸化可确保视锥细胞 R* 的快速猝灭，GRK7 的表达水平和比活性明显高于视杆细胞中的 GRK1 。第四，视杆细胞可以对单个光子作出反应，而视锥细胞需要受到一百多个光子的刺激。第五，在视杆外节 (ROS) 中，视盘膜与质膜分离并被质膜包围。相反，视锥外节 (COS) 由质膜堆叠内陷形成。因此，视杆细胞盘被质膜与细胞外空间隔开，而视锥细胞盘则向细胞外基质开放。视锥细胞外节的结构大大增加了其盘膜的表面积和视锥细胞的表面积与体积比。视锥细胞外节连续、开放的结构有利于视锥细胞内光传递和代谢的快速反应，保证了视锥细胞与光感受器间基质之间物质的快速运输（IPM）。第六，视锥细胞发色团的猝灭和再生速度快于视杆细胞。

简而言之，光在视锥细胞中的传导过程可以描述如下：当暴露于光线时，细胞内的视锥视觉色素分子受到刺激。这种刺激激活了转导蛋白 α 亚基（GNAT2 = G α ）。在鸟苷结合位点，鸟苷二磷酸（GDP）与鸟苷三磷酸（GTP）交换，导致抑制性 βγ 亚基的释放和 G 蛋白的活化形式（G α -GTP）的形成。活化的 Gα-GTP 导致磷酸二酯酶 (PDE) 活性显著增加。PDE 负责水解环鸟苷单磷酸 (cGMP) 并有效降低其在视锥细胞外节的浓度。cGMP 浓度的降低导致异四聚体 cGMP 门控阳离子通道 (CNGA3/CNGB3) 关闭，导致视锥细胞膜超极化。膜超极化导致兴奋性神经递质谷氨酸的释放减少。最后，视锥细胞通过激活的光传导蛋白的一系列猝灭/终止反应从光反应中恢复，最终使细胞恢复到暗适应状态。这些复杂的步骤确保视锥细胞能够有效地检测光并处理信号。

4.2 红绿色盲

红绿色盲的临床症状

负责编码红色视锥蛋白和绿色视锥蛋白的基因位于 X 染色体 Xq28 上，编码在 L 视锥细胞和 M 视锥细胞中特异表达的光敏色素的蛋白质成分，其突变会导致红绿色盲。红绿色盲患者通常会出现视力下降、畏光、眼球震颤和近视等症状。尽管女性携带者没有症状，但共聚焦自适应光学扫描激光检眼镜 (AOSLO) 显示出不同程度的视锥细胞密度降低、间距增加和组织破坏，表型变异可能与随机 X 染色体失活有关。

红绿色盲的病理机制

红绿色盲是一种X连锁隐性遗传病，由OPN1MW（视蛋白1中波长基因，OMIM300821）和OPN1LW（视蛋白1长波长基因，OMIM300822）两个基因突变引起，导致长波长感光视蛋白和中波长感光视蛋白的缺乏（表2）。在人类中，OPN1MW和OPN1LW基因在X染色体上首尾相连。OPN1LW和OPN1MW基因各有6个外显子。OPN1LW和OPN1MW几乎完全相同，核苷酸序列同源性超过98％。由于 L 和 M 视蛋白基因相似，它们容易发生不平等的同源重组，这对视觉功能具有深远的影响。外显子 1 和 6 高度保守，几乎没有变化。外显子 5 编码氨基酸差异，在功能上区分 L 和 M 感光色素。外显子 2、3 和 4 在 L-视蛋白（红色）和 M-视蛋白基因（绿色）之间有所不同。 OPN1LW和OPN1MW的选择性表达受特定的近端启动子和单个上游基因座控制区（LCR）调控，确保每个视锥细胞中只表达一种视蛋白基因。目前，红绿色盲的病理机制有四种：一是基因座控制区部分或全部缺失，导致视蛋白基因阵列的转录终止；二是长波视蛋白和中波视蛋白基因阵列发生非同源重组，随后发生失活突变；三是单个视蛋白基因阵列中一个完整的外显子缺失。第四种是OPN1LW与OPN1MW之间发生突变转移的基因转换。此外，在某些情况下，还与视锥细胞营养不良有关（图4）。

表 2.视蛋白基因。

4.3 蓝黄色盲

蓝黄色盲的临床症状

负责编码蓝锥蛋白的基因位于 7 号染色体 7q32 位置。该基因称为 OPN1SW（视蛋白 1 短波长基因，OMIM190900），与其他两个视蛋白基因的核苷酸序列相似性仅为 40% 左右。OPN1SW 突变会导致蓝锥蛋白功能异常，从而导致一种称为蓝黄色盲的疾病。受影响的个体难以有效地感知短波长范围内的颜色，但他们仍能区分中长波长范围内的颜色。

蓝黄色盲的病理机制

蓝黄色盲是一种显性遗传性疾病，病理学简单。编码蓝锥视蛋白的基因中的错义突变导致蓝锥视蛋白序列内的氨基酸取代。因此，患有这些突变的个体会出现蓝黄色盲。其他研究表明，蓝黄色盲可能与 OPN1SW 剪接缺陷和单倍体不足有关（图 4）。

5.治疗方法

5.1. ACHM 的治疗

目前，尚无针对全色盲的药物治疗或治疗方法。这种疾病的治疗主要需要准确的基因检测及遗传咨询，为患者及其家人提供指导和支持。低视力设备也可用作视觉辅助工具，协助完成视觉任务。为了缓解畏光症状，全色盲患者也可以佩戴彩色隐形眼镜或眼镜。一项研究报告称，佩戴红色眼镜或红色隐形眼镜可以缓解畏光患者的症状。临床试验表明，这些视觉辅助工具（如彩色隐形眼镜或眼镜）在解决与色觉障碍相关的挑战方面并不能完全有效。

然而，值得注意的是，与全色盲相关的所有基因的编码序列都相对较小，通常小于 2,600 个碱基对 (BP)。这种紧凑的尺寸使其能够被封装在腺相关病毒 (AAV) 基因治疗载体中，这为潜在的基因治疗干预带来了希望。尽管 AAV 作为基因传递系统具有固有的局限性，但载体工程的进步提供了开发具有增强传递能力的改进重组 AAV (rAAV) 变体的潜力。这些工程化的 rAAV 载体旨在克服尺寸限制并提高基因转移效率，从而扩大其在各种基因治疗应用中的治疗潜力。目前，已有多项研究提供了令人信服的证据，证明基因疗法或替代疗法可有效恢复各种基因型全色盲 (ACHM) 动物模型的锥体功能。研究报告称，在由 GNAT2 突变导致的全色盲 (ACHM) 病例中，锥体细胞表现出相对保存良好的状态。这一发现表明，针对锥体细胞的干预措施可能具有广阔的治疗窗口。一项对Gnat cpfl3 （视锥光感受器功能丧失-3）小鼠的研究表明，递送GNAT2 cDNA可恢复视锥功能，光适应视网膜电图（ERG）和视运动反应（OMR）测试的改善可以证明这一点。另一项研究采用表达人CNGB3的AAV5载体治疗两种色盲犬模型，成功改善了它们对迷宫任务的反应和功能性视觉。在哺乳动物中，只有灵长类动物具有三色视觉，因此，这些基于非灵长类色盲模型的研究仍需进一步开展。而且值得注意的是，不同致病基因突变引起的ACHM的视锥细胞残基有所不同，不能一概而论。

有趣的是，先前的研究得出了相互矛盾的结果。具体来说，一些研究表明，基因治疗的治疗窗口会随着年龄的增长而减小。然而，研究表明，ACHM 患者的视网膜结构或功能退化与年龄之间的明确关系尚未确定。这意味着基因治疗在特定情况下的潜在干预窗口可能比之前假设的更广。

值得强调的是，当前的研究正转向使用视网膜下 (SR) 注射作为给药方法，而不是玻璃体内注射。这种变化是由于玻璃体内注射在有效靶向外层视网膜方面的局限性以及错过内层视网膜目标位置的风险增加所致 。尽管基因治疗取得了令人欣慰的进展，但对绵羊和非人类灵长类动物模型的安全性研究表明，注射会导致炎症。然而，令人欣慰的是，几种基因疗法已显示出普遍可接受的安全性，表明它们在未来临床应用的可行性。

另一项研究报道了CNTF（睫状神经营养因子）对退行性疾病中的视杆和视锥光感受器均有治疗作用。这一发现凸显了CNTF作为保存和促进退行性疾病感光细胞功能的治疗选择的潜力。并且已证明CNTF在几种动物模型中对视杆感光细胞具有神经保护作用。最近的研究表明，CNTF还能对视锥光感受器产生保护作用，并促进退化视锥细胞外节的再生。这些研究成果引起了科学界的极大关注。目前，一项I/II期临床试验（国家临床试验号：NCT01648452）正在进行中，以评估CNTF治疗对CNGB3突变患者的疗效。然而，试验结果表明，CNTF并未导致视锥细胞功能显著改善。这表明，视锥细胞CNGB3对CNTF的反应可能存在物种差异，这突出表明需要进一步研究和了解人类的潜在机制。有趣的是，联合使用CNTF已被证明可以克服单独基因治疗的一个主要局限性，即无法在大多数1岁以上的狗身上达到治疗效果。这一有希望的发现凸显了CNTF作为与基因治疗相结合的辅助疗法的潜力，为这些病例的治疗干预提供了一种新的途径。

CNGA3 和 CNGB3 突变导致的 ACHM 占所有病例的 70%，是研究最广泛的基因。事实上，北美、欧洲和中东地区已经取得了相关进展，并已启动 AAV 携带者治疗色盲的一期临床试验，分别是德国（CNGA3，NCT02610582）、美国和以色列（CNGA3，NCT02935517）、美国（CNGB3，NCT0259922）和英国（CNGB3，NCT03001310；表 3）。多项临床试验已经取得成果：

表 3.AAV治疗项目。

在自然发生的绵羊模型中成功进行基因增强疗法后），美国一些研究中心启动了 I/II 期人体试验（ClinicalTrials.gov，ID NCT02935517）。在该试验中，患者接受单次视网膜下注射 AAV2tYF 衣壳变体治疗，该变体携带 CNGA3 转基因，受工程化 PR1.7 锥体特异性视蛋白启动子的控制，位于患者较差的眼睛中。虽然治疗 1 年后患者的视力有所改善，但没有证据表明色觉有所改善。

在另一项研究（ClinicalTrials.gov，ID NCT02610582）中，研究人员获得了更令人兴奋的结果。这项针对全色盲的基因治疗研究发现，视网膜下注射 AAV8.CNGA3 具有极好的安全性，治疗 1 年后患者的功能得到改善，但由于缺乏随机同期对照个体，因此无法确定因果关系。尽管队列规模有限，但仍然注意到视力、对比敏感度和色觉等功能的改善。此外，患者报告的结果测量为可能有益的治疗效果提供了额外支持。例如，用 AAV8.CNGA3 治疗后，区分颜色的能力有所提高，视力和识别字母和数字的能力也有所提高——这些都是日常生活中的关键任务。因此，色弱色盲基因检测项目组发现，以重组 AAV8 为靶点对视锥细胞进行基因补充可以安全成功地应用。更重要的是，这些数据证明，完全全色盲的成年患者可以获得视锥细胞功能。

在一项治疗 CNGB3 相关 ACHM 的研究中（ClinicalTrials.gov，ID NCT03001310），研究人员取得了令人欣喜的成果。这是一项 1/2 期、开放标签、非随机、剂量递增/扩展研究。在这项试验中，研究人员用 AAV8-hCARp.hCNGB3 治疗了 23 名参与者（11 名成人，12 名儿童）。其产生的不良事件 (AE) 情况在预期之内且可控。总体而言，AAV8-hCARp.hCNGB3 表现出了可接受的安全性和耐受性。在整个研究人群中，无论是在队列（成人或儿童）内，还是在剂量方面，治疗和未治疗的眼睛之间从基线到第 24 周的任何特定疗效评估均未出现系统性变化模式。然而，在几项评估中都观察到个体参与者的有利变化，参与者在治疗后在几项疗效评估中的表现有所改善，包括 PA（光敏感度）和 VRQoL（视觉相关生活质量）。多项疗效参数的改善表明AAV8-hCARp.hCNGB3基因治疗可能带来益处。其他项目的研究结果尚未公布。

由于GNAT2突变导致的ACHM发病率较低，尽管基因治疗领域取得了进展，但针对表型分析的研究数量有限。PDE6C、PDE6H和ATF6突变导致的ACHM病例比例相对较低，因此对这些基因的研究关注度不如CNGA3和CNGB3广泛。目前尚无针对这些基因的临床试验正在进行中。

5.2. 红绿色盲的治疗

红绿色盲目前尚无有效治疗方法，目前正在研究的治疗方法大致可分为物理治疗和基因治疗。

在物理治疗领域，可穿戴设备的研究和开发正受到极大关注。目前，有特殊的镜片覆盖着各种涂层，可以滤除特定波长的光。这些创新的镜片旨在增强色觉，改善红绿色盲患者的整体视觉体验。此外，还开发了一种染色隐形眼镜来改善患者的色觉，具有无毒、低成本和可定制的优势。另一项研究表明，由金纳米粒子 (GNPs) 和水凝胶基质制成的隐形眼镜也具有改善色觉的功能。目前，色盲眼镜市场的领导者是 Enchroma，该公司于 2012 年首次发布其产品。该眼镜使用多陷波滤波器来消除红色和绿色的重叠。该产品采用的镜片材质为Trivex，比常用的玻璃材质（CR-39和聚碳酸酯）更轻、更薄、更坚固，通过在镜片表面涂上吸收带较窄的染料，避免影响患者正常的辨色能力。但有一项研究以色彩评估与诊断（CAD）测试了其产品，结果显示产品并不能明显改善色觉障碍患者的症状。除了Enchroma，还有VINO、Colorlite等公司从事相关产品的生产。尽管如此，目前市面上的红绿色盲矫正眼镜仍存在一些局限性，它们往往价格昂贵、体积庞大，且与其他视力矫正镜片不兼容，而且其在改善色觉方面的有效性和稳定性也常常不尽人意。

在基因治疗领域，目前尚无成熟可靠的药物或治疗方法可用于治疗红绿色盲。然而，一些研究结果为该领域的研究人员带来了希望。例如，一项研究表明，患有红绿色盲的成年灵长类动物在补充了第三种视蛋白后，能够获得三色视觉。这表明，三色视觉可以通过引入一种额外的视锥细胞来实现，而无需早期的发育过程。这些发现为基因治疗治疗成年人色觉障碍提供了良好的前景。然而，值得注意的是，其他研究表明，迄今为止进行的研究均未明确表明实验动物获得了感知新颜色的能力。此外，值得注意的是，目前没有证据表明这些实验动物能够区分红色和绿色，尽管它们能够在灰色背景下检测这两种颜色。这项研究的结果对基因疗法治疗红绿色盲的疗效提出了质疑，表明现在就断定基因疗法可以有效治疗人类的这种疾病还为时过早。

不过，也有令人振奋的消息。有报道显示，基因疗法有望挽救老年OPN1MW −/−小鼠（M-视蛋白敲除）残存的M视锥细胞，为色觉缺​​陷的治疗带来希望。此外，一项研究提供了令人振奋的证据，证明引入外源性人类视蛋白可使OPN1MW −/−小鼠外锥节段再生，M视锥功能恢复。这些研究结果有望为色觉障碍患者，特别是中老年患者找到治愈方法。

另有研究表明，利用含有大鼠M视锥细胞视蛋白的载体，成功恢复了先天性S视锥细胞单色性大鼠模型的M视锥细胞视网膜电图（ERG）功能。该结果为人类色盲的治疗提供了方向。近期研究表明，红绿色盲患者视网膜中心1.5mm处仍有残留的L视锥细胞和M视锥细胞。这些视网膜结构证据提示，红绿色盲值得考虑开展L视锥细胞和M视锥细胞基因治疗的人体临床试验。

除了这些科学研究，谷歌、苹果等科技公司也纷纷采取行动，应对红绿色盲患者所面临的挑战。例如，谷歌正在开发专门用于减轻色觉障碍对红绿色盲患者负面影响的界面和应用程序。苹果则致力于为红绿色盲患者制造终端产品，从机械层面改善红绿色盲对患者日常生活的影响。

5.3. 蓝黄色盲的治疗

蓝黄色盲目前尚无有效治疗方法，眼镜或隐形眼镜等辅助设备的临床效果通常不理想。由于蓝黄色盲的发病率相对较低，且 S 视锥细胞仅占视锥细胞总数的 5% 左右，对患者的影响有限，因此相关研究较少。现有研究主要侧重于探究潜在的病理机制，而非开发可行的治疗方法。因此，迫切需要研究人员解决并找到治疗蓝黄色盲的方法。

6. 颜色视力障碍发生的原因及其基因检测的学科共识性总结

各种技术的进步极大地提高了色弱色盲基因检测项目组对先天性色觉障碍的临床症状和潜在病理机制的理解。然而，仍有一些疾病的病因无法解释，色弱色盲基因检测项目组对潜在的细胞和分子机制的日趋全面。需要专门的科学家和研究人员进一步深入研究，以填补知识空白，扩大色弱色盲基因检测项目组对先天性色觉障碍的认识。

实现细胞级分辨率成像对于未来先天性色觉障碍领域的诊断和研究至关重要。分割检测自适应光学扫描激光检眼镜 (AOSLO) 成像是一种有前途的工具，可用于客观地观察和评估活细胞的结构。分割检测自适应光学扫描激光检眼镜 (AOSLO) 成像的高分辨率功能可以详细检查细胞级变化和异常，为这些疾病的病理生理学提供宝贵的见解。它作为诊断工具和研究工具的潜力使其成为该领域进一步研究的有力途径。

目前，针对先天性色觉障碍的有效物理治疗方法尚不充分。同样，包括基因治疗在内的生物层面干预措施也处于早期发展阶段，在临床实施之前还需要进一步研究。尽管基因治疗方法主要在动物模型或临床试验中进行研究，但一些研究已经取得了令人鼓舞的进展，并观察到了令人鼓舞的结果，表明未来在人类身上治疗这些疾病的潜力。该领域正在进行的研究和进展为未来开发有效的治疗方法带来了希望。

虽然研究表明，基因治疗辅助疗法可以在中老年色盲模型中发挥基因治疗的治疗效果，但目前的研究表明，色盲治疗干预在儿童时期实施效果最好，尤其是在 6 岁之前。人们认为，在视觉处理的发展阶段进行早期干预是获得最佳治疗效果的最佳机会。虽然对年轻患者进行注射手术会带来额外的技术挑战，但综合治疗的潜在益处值得考虑。

总之，虽然要完全了解色觉障碍的病理机制并开发安全有效的治疗方法还有很长的路要走，但找到治愈方法的前景是光明的，值得色弱色盲基因检测项目组坚定不移的承诺和毅力。