王肅旸 劉曉雯 郭玉芬,3
Usher綜合征(Usher syndrome, USH)又稱遺傳性聾-視網(wǎng)膜色素變性綜合征,是以感音神經(jīng)性聾和漸進性視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa, RP)為主要臨床表現(xiàn)的一種常染色體隱性遺傳性疾病,主要影響聽覺、視覺和平衡覺。據(jù)估計全球約有40萬患者,普通人群中USH發(fā)病率約為3/100 000~6.2/100 000,占所有先天性聾的5%及RP病例的18%。Usher綜合征具有臨床異質(zhì)性和遺傳異質(zhì)性,分為三種不同的臨床亞型,與多個基因位點相關(guān)。Usher基因編碼多種蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)在內(nèi)耳和視網(wǎng)膜中表達,在感覺毛細胞發(fā)育和功能以及光感受器維持方面發(fā)揮重要功能。雖然許多治療相關(guān)的研究前景可觀,然而臨床上尚缺乏對其公認有效的治療手段。
目前已鑒定出USH至少10個致病基因,包括6個USH1基因、3個USH2基因和1個USH3基因。在USH家系中,NGS的診斷率可達到70%~80%左右。最新的一項Meta分析納入了11項研究報告[1],684名USH患者,91%(624/684)的患者通過鑒定USH基因的雙等位致病突變進行了分子診斷。對每個USH基因的雙等位基因致病突變率進行評估,按致病頻率分類依次為:USH2A:50%(341/684),MYO7A:21%(144/684),CDH23:6%(39/684),ADGRV1:5%(35/684),PCDH15:3%(21/684),USH1C:2%(17/684),CLRN1:2%(14/684),USH1G:1%(9/684),WHRN:0.4%(3/684),PDZD:70.1%(1/684),CIB2:0(0/684)。按照臨床亞型的頻率分別為:①USHI:33.6%(230/684);②USH2:55.6%(380/684);③USH3:1%(14/684);④USH基因未發(fā)現(xiàn)致病突變:8.8%(60/684)。
USH基因編碼的蛋白具有多種結(jié)構(gòu)和功能作用,包括肌球蛋白VII a(myosin VIIA:USH1B),細胞粘附分子(cadherin 23:USH1D; protocadherin 15:USH1F; usherin:USH2A),支架蛋白(harmonin:USH1C; sans:USH1G; whirlin: USH2D),G蛋白偶聯(lián)受體(ADGRV1: USH2C),鈣整合素結(jié)合蛋白(CIB2: USH1J)和跨膜蛋白(clarin-1: USH3A)。當(dāng)這些基因在耳蝸、橢圓囊、球囊和三個半規(guī)管的毛細胞以及視網(wǎng)膜光感受器細胞上高表達,參與了凝聚、機械轉(zhuǎn)導(dǎo)、突觸配對以及蛋白質(zhì)和細胞器運輸?shù)纫幌盗羞^程,將導(dǎo)致耳聾(伴有或不伴有平衡功能下降)和失明。USH分為3型:Usher Ⅰ型、UsherⅡ型、UsherⅢ型。
1.1Usher I型 Usher I型(USH1)是最嚴(yán)重的亞型,主要表現(xiàn)為先天性嚴(yán)重的耳聾及前庭功能異常,夜盲的癥狀出現(xiàn)得較USH2患者早,約占所有Usher綜合征病例的25%~44%(Reiners等,2006)。大部分患兒聽力損失較重,不能通過新生兒聽力篩查。前庭反射表現(xiàn)為運動發(fā)育遲緩,通常在18個月前不能獨立行走。他們會通過視覺來補償前庭反射,直到RP發(fā)作,但在需要保持平衡的的活動中(比如騎自行車)更容易摔倒。這類患兒往往需要早期植入人工耳蝸幫助他們回歸主流社會。
目前已知的與USH1相關(guān)的基因有9個(USH1B-J),已鑒定6個基因:MYO7A(USH1B),USH1C(USH1C),CDH23(USH1D),PCDH15(USH1F),USH1G(USH1G)和CIB2(USH1J)。半數(shù)以上USH1病例由MYO7A所致。USH1E、USH1H和USH1K基因座已分別定位于染色體21q21、15q22-23和10p11.21-q21.1,但尚未確定。
1.2UsherⅡ型 UsherⅡ型(USH2)發(fā)病率最高,約占70%(Reiners等,2006),主要表現(xiàn)為先天性非進行性中至重度感音神經(jīng)性聾,前庭功能正常,青春期或之后發(fā)生雙眼RP;聽力損失的典型特征表現(xiàn)為下降型曲線[2]。由于聽力損失為先天性,也難以通過新生兒聽力篩查,若沒有行聽力篩查,高頻聽力損失在10歲左右才被診斷[3]。但有報道USH2A患者聽力損失逐年加重(Sadeghi等,2004)。大部分患兒配戴助聽器可與人正常交流,約10%的USH 2A型患者植入了人工耳蝸。USH2患者前庭功能正常,但有眩暈發(fā)作的報道[4],因此在后期研究中應(yīng)當(dāng)關(guān)注前庭系統(tǒng)的亞臨床變化。USH2的三個基因被鑒定為USH2A(USH2A)、ADGRV1(USH2C)和WHRN(USH2D)。USH2A突變是USH的最常見原因,約占USH2病例的80%[5]。
1.3Usher Ⅲ型 Usher Ⅲ型(USH3)主要表現(xiàn)為語后進行性雙側(cè)對稱性感音神經(jīng)性聾,前庭功能可能出現(xiàn)下降,或伴有20歲以前出現(xiàn)的RP。該型主要在芬蘭和德系猶太人中流行(Ness等,2003),大多數(shù)人群中很少見,約占所有病例的2%~4%。該型聽力及前庭特征等臨床表型變異最大,聽力損失主要表現(xiàn)為語后進行性雙側(cè)對稱性感音神經(jīng)性聾,聽力圖通常顯示高頻聽力損失或中高頻損失為主。大多數(shù)患者于16個月左右可獨立行走,約一半的患者存在前庭功能異常(Sadeghi等,2005), RP發(fā)生時間和程度表現(xiàn)各異。CLRN1(USH3A)是目前唯一被證實導(dǎo)致USH3的基因,有兩個先天突變,p(Tyr176*)和p.*Asn48Lys,分別在芬蘭[8]和德系猶太人群(Rr Fields等,2002)中檢出。此外,在兩名表型與USH3相關(guān)的患者中發(fā)現(xiàn)了組氨酰-tRNA合成酶(HARS)的純合子錯義變體(histidyl-tRNA synthetase,HARS)[6]。
近年來有學(xué)者將在臨床表型上相似但與上述三種類型不能匹配的非典型USH歸類為一個新的亞型,即USH4型[7]。
Usher基因顯示出巨大的臨床異質(zhì)性,大多數(shù)Usher基因的不同突變與常染色體隱性遺傳性RP或常染色體顯性或隱性感音神經(jīng)性聾(DFNA或DFNB)的非綜合征病例有關(guān),例如MYO7A突變,它與顯性和隱性非綜合征型聽力損失有關(guān)(分別為DFNA11[OMIM#601317]和DFNB2[OMIM#600060])。導(dǎo)致DFNB2的MYO7A突變與引起USH1的突變相似,這種表型是由缺失的RP引起的,還是可能存在影響表型的修飾因素?有報道MYO7A突變導(dǎo)致中國人群USH1和USH2單側(cè)聽神經(jīng)病的表型,擴大了USH的表型譜。在其他USH1基因中,CDH23和PCDH15均存在基因型-表型相關(guān)性;錯義突變主要與非綜合征型聾(DFNB12[OMIM#601386]或DFNB23[OMIM#609533])或更輕微的RP癥狀有關(guān),而移碼、無義和剪接位點突變會導(dǎo)致USH1。
USH2A有多種突變譜,包括無義突變、移碼突變、錯義突變和剪接突變,以及缺失和重復(fù)。在USH2A中發(fā)現(xiàn)的最常見的突變是外顯子13 c.2299delG p.(Glu767Serfs*21)的單堿基對缺失,這已被證明與外顯子剪接有關(guān)[8]。USH2A的突變與23%的非綜合征型RP病例有關(guān),在這些患者和家系中特定的突變等位基因更常見,最常見的是錯義變體c.2276G>T p(Cys759Phe)。Lenassi等[9]報道了一個罕見家系,一名非綜合征型聽力損失患者被檢出USH2A復(fù)合雜合突變——c.1036A>C p.(Asn346His)和c.13316C>T p.(Thr4439Ile),但是他的兄弟姐妹攜帶相同的突變,并被診斷為典型的USH2。
到目前為止,已經(jīng)報道了數(shù)項USH2A表型相關(guān)研究。Lenassi等[10]對USH2A相關(guān)RP患者進行的一項調(diào)查報告了幾個在USH2家族中很少發(fā)現(xiàn)的“視網(wǎng)膜疾病特異性”等位基因,大多是危害較小的錯義變異,而Usher相關(guān)變異大多包括那些被預(yù)測不會產(chǎn)生活性蛋白質(zhì)的基因(例如,那些導(dǎo)致過早截斷的基因)。他們提出了一個等位基因?qū)哟文P?,USH2A相關(guān)視網(wǎng)膜病變患者中,至少有一個視網(wǎng)膜疾病特異性等位基因的存在。雖然沒有得到后續(xù)研究的支持,但對不同的隊列研究分析發(fā)現(xiàn),等位基因?qū)哟文P驮?6%的非綜合征型USH2A——RP個體中是有效的。此外,據(jù)報道,與普通的USH2患者相比,攜帶p.(Cys759Phe)等位基因的USH2A患者出現(xiàn)RP的時間更晚,聽力損失也更輕[4],而p.(Cys759Phe)變異的純合突變或與其他USH2A的復(fù)合雜合突變與孤立性RP/RP伴發(fā)遲發(fā)性聽力損失相關(guān)。相比之下,p.(Glu767Serfs*21)變異導(dǎo)致病情進展迅速,預(yù)后不良,需要動態(tài)的聽力學(xué)監(jiān)測并考慮早期人工耳蝸植入[11]。一般來說,嚴(yán)重的聽力障礙與USH2A基因的截斷突變有關(guān)。對USH2A基因型-表型相關(guān)性的進一步研究表明,該基因N端層粘連蛋白結(jié)構(gòu)域存在兩個截斷突變或兩個錯義變異與USH 2患者相關(guān),而與非綜合征型RP患者無關(guān),且至少一個截斷突變的存在與早期視力下降有關(guān),而與表型無關(guān)[12]。
1999年,Adato等在一個非近親的猶太也門裔家庭中發(fā)現(xiàn)2例患者具有不同的臨床表型,其中1例患者表現(xiàn)為USH1的臨床表型,另外一例患者表現(xiàn)為USH3的臨床表型。作者在此后的研究中發(fā)現(xiàn),在同一家系中出現(xiàn)不同的臨床表型是由于USH1表型的患者攜帶MYO7A的復(fù)合雜合變異,而攜帶USH3單倍型的純合變異的患者表現(xiàn)為USH3的表型。Ness等(2003)也在40例患有USH的德系猶太人群中發(fā)現(xiàn),16例臨床分類為III型USH的患者,雖然所有患者均為CLRN1基因變異所致,但N48K純合子表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的臨床表型,聽力學(xué)表現(xiàn)尤為突出,發(fā)病年齡從嬰兒期到35歲以上不等。Aller等(2004)在西班牙USH3家系中的患者也表現(xiàn)出語前雙側(cè)對稱性重度進行性感音神經(jīng)性聾(6歲:平均聽閾70 dB HL;17歲:平均聽閾>90 dB HL)。這些結(jié)果表明,臨床上USH3與USH1或USH2可能存在混淆;另一方面,由于出現(xiàn)遲發(fā)性和進行性聽力損失,臨床上發(fā)現(xiàn)與USH3相符的一些患者攜帶USH2A、USH1B和USH1D變異。因此,根據(jù)結(jié)果和文獻回顧,進行性感音神經(jīng)聾和語后聾并不是診斷和鑒別USH3的重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著病例資料的逐步增多,USH3臨床表型出現(xiàn)更多的表現(xiàn)形式,相比較于臨床表型對USH的診斷,基因診斷更為明確和可靠。
3.1臨床前研究 Usher相關(guān)的RP和其他視網(wǎng)膜疾病(IRD)的治療還沒有非常有效的方法,許多治療策略正在臨床前期或臨床Ⅰ/Ⅱa研究階段,其中包括基因替代、基因編輯、蛋白抑制和基于反義寡核苷酸(antisense oligonucleotide ASO)的方法。絕大多數(shù)USH的治療研究都是使用患者來源的細胞(通常是成纖維細胞)或突變小鼠進行的,但是大部分小鼠模型僅表現(xiàn)出感音神經(jīng)性聽力損失和前庭功能障礙表型,只有少數(shù)小鼠模型表現(xiàn)出進行性視網(wǎng)膜變性。
3.1.1基因置換 基因置換在幾種Usher小鼠模型中有效:腺相關(guān)病毒(AAV)載體已經(jīng)通過視網(wǎng)膜下注射在Myo7a、Whrn131和Clrn1134基因敲除小鼠體內(nèi),以恢復(fù)在每種模型中存在缺陷的Usher基因的表達,雙重疊AAV載體也已經(jīng)作為一種潛在更安全的大基因替代載體進行了測試,取得了良好的效果。慢病毒載體的運載能力更強,卻存在插入突變的風(fēng)險,通過慢病毒載體向USH1B小鼠模型視網(wǎng)膜運送功能性Myo7a獲得成功[13]。在USH1C、USH1G、USH2D和USH3小鼠模型中,通過小鼠的圓窗膜或后半規(guī)管向內(nèi)耳注射AAV載體也顯著改善了小鼠的內(nèi)耳毛細胞功能。
小鼠的內(nèi)耳在出生時尚不成熟,出生后會繼續(xù)發(fā)育,大概在出生后12天驚嚇反應(yīng)陽性,這為基因療法的有效干預(yù)提供了機會窗口。相比之下,人類的聽力在孕19周始出現(xiàn)驚嚇反應(yīng),出生時完全成熟。USH1為先天性聽力損失,在孕前或者孕0~18周進行一級預(yù)防是否有效仍需進一步研究。
3.1.2基因編輯 另一種治療方法是基因編輯,包括核酸酶來消除基因突變,與包含野生型序列的DNA模板進行同源重組來糾正DNA錯誤,用于糾正點突變、小插入/缺失和剪接點突變。近年來,CRISPR/Cas9系統(tǒng)因其高效和易于使用而在基因編輯中廣受歡迎。該技術(shù)已成功地用于USH2A患者成纖維細胞突變修復(fù)以及患者來源的誘導(dǎo)多能干細胞(iPSCs),包括USH2A(Glu767Serfs*21)純合突變或(Glu767Serfs*21)/(Cys759Phe)復(fù)合雜合突變[14]。兩項研究都沒有報道脫靶效應(yīng),在成纖維細胞中,突變矯正率僅為2.5%,而在iPSCs中,突變矯正率高達3%。因此確保效應(yīng)器官的靶點效應(yīng)和高水平的編輯效率將是未來研究的關(guān)鍵。
3.1.3蛋白抑制 Alagramam等[15]通過高通量篩選發(fā)現(xiàn)另一種小分子——BioFocus 844(BF844),經(jīng)腹腔注射到USH3敲入小鼠模型時,能夠穩(wěn)定CLRN1 p.(Asn48Lys)錯義突變產(chǎn)生的有缺陷的Clarin1蛋白,從而防止進行性聽力損失。
3.1.4基于反義寡核苷酸(ASO)的方法 另一種治療方法是使用ASO,這是一種短的人工修飾核酸,它通過互補堿基配對與RNA結(jié)合。ASO可以被設(shè)計成與剪接增強子或沉默靶部位的前mRNA結(jié)合,阻止或促進剪接體的結(jié)合,從而調(diào)節(jié)前mRNA的剪接。已經(jīng)用ASOs治療USH1c敲入小鼠的聽力和前庭缺陷,這種小鼠具有隱蔽的剪接位點突變,導(dǎo)致蛋白被截斷。Depreux等[16]通過新生小鼠的腹膜注射ASOs部分糾正了突變的USH1c轉(zhuǎn)錄本的前mRNA剪接缺陷;在同一實驗中,還將ASOs注射到羊膜腔內(nèi)給USH1c敲入胎鼠,并觀察到出生后小鼠的前庭功能和聽力的部分糾正;Wang等[17]在胎鼠第13~13.5天將ASO經(jīng)羊膜腔直接注射到內(nèi)耳,可糾正Harmonin RNA剪接,恢復(fù)感覺毛細胞束中Harmonin蛋白的表達,防止毛細胞丟失,提高聽覺敏感度,并改善前庭功能障礙,聽力和前庭功能的改善一直持續(xù)到成年。ASOs還被用于糾正USH2A基因深度內(nèi)含子突變(C.7595-2144A>G)導(dǎo)致的剪接缺陷,該突變導(dǎo)致在患者來源的成纖維細胞和微基因剪接試驗中插入偽外顯子(PE40)。
總體而言,在針對Usher亞型的治療方面,近年來涌現(xiàn)了許多前景光明的治療策略。
3.2臨床試驗 基于臨床前研究的成功,目前已有數(shù)項針對Usher相關(guān)性RP患者臨床試驗。在Usher特異性基因治療方面,第一個臨床試驗評估視網(wǎng)膜下注射基于馬傳染性貧血病毒(EIAV)的重組慢病毒載體(UshStat)治療MYO7A相關(guān)USH1(NCT01505062)的效果[13]。但是,由于審查臨床開發(fā)計劃和優(yōu)先事項,贊助商賽諾菲已經(jīng)終止了這項I/IIA期試驗。另一項臨床試驗正在準(zhǔn)備中,使用雙雜交AAV載體將MYO7A運送到USH1B患者的視網(wǎng)膜(https://cordis.europa.eu/project/id/754848/it)。考慮到FDA和歐洲藥品管理局(European Medicines Agency)已經(jīng)批準(zhǔn)Spark Treeutics Luxturna基因療法用于RPE65相關(guān)視網(wǎng)膜疾病患者,基因替代療法將成為未來更有可能用于治療幾種Usher亞型的選擇。然而,其缺點是價格昂貴,而且傳統(tǒng)的病毒方法不適合像USH2A這樣的非常大的基因(cDNA長度>15 kb)。
在RP的治療中,桿源性視錐細胞存活因子(RdCVF)的病毒傳遞也在研究中;RdCVF是一種由視桿細胞自然分泌的保護視錐感光細胞的因子,已被發(fā)現(xiàn)在病毒介導(dǎo)的視網(wǎng)膜表達后促進RP小鼠模型的光感受器存活。如果該方法對人類有效,可能適用于大量未經(jīng)分子診斷的IRD患者。
Usher綜合征和其他IRDs的治療方法的選擇與疾病的分期息息相關(guān)?,F(xiàn)有的治療方法可能只有在視網(wǎng)膜光感受器未受損的階段才有效。在視網(wǎng)膜變性的晚期,細胞替代療法或視網(wǎng)膜假體可能是最可行的選擇。胚胎干細胞和iPSC技術(shù)的進步使細胞移植成為晚期視網(wǎng)膜疾病患者的希望[18]。作為干細胞眼科治療研究的一部分,骨髓來源干細胞(BMSC)已經(jīng)在5名患有不同亞型的Usher綜合征的未分型患者身上進行了試驗[19]。治療前平均視敏度0.635 LogMAR,術(shù)后平均提高0.18 LogMAR。Xu等[20]研究發(fā)現(xiàn) Clarin1僅限于視網(wǎng)膜Müller膠質(zhì)細胞,在小鼠視網(wǎng)膜中,已發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性骨髓來源干細胞(BMSC)在損傷后遷移并與Müller膠質(zhì)細胞融合,由此產(chǎn)生的雜交細胞被發(fā)現(xiàn)有助于替換受損的神經(jīng)元,顯示了哺乳動物視網(wǎng)膜中BMSC的再生潛力。
雖然目前還沒有針對Usher特異性聽力損失的臨床試驗,但有一項臨床試驗表明,含有人無性轉(zhuǎn)錄因子(Atoh1)cDNA的重組腺病毒5(Ad5)載體迷路注射可治療重度至極重度感音神經(jīng)性聾患者(NCT02132130),研究結(jié)果尚未公布。幾個Usher小鼠突變體的成功臨床前工作使基因治療成為炙手可熱的研究方向;然而,這些治療是在小鼠內(nèi)耳仍在發(fā)育的情況下進行的,對USH兒童或成人是否有效仍尚未定論。
Usher綜合征是一種具有廣泛的臨床和遺傳異質(zhì)性的疾病,通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的聽覺和視覺雙重感覺喪失,對患者的生活質(zhì)量造成極大的影響。近些年由于分子遺傳學(xué)的發(fā)展,對USH的診斷和病因研究取得了很大的進展,但是,對于USH引起的視力下降、聽力損失和前庭功能損傷并未有效的預(yù)防措施和阻止手段,因此,對患者進一步臨床分型并預(yù)測預(yù)后顯得尤為重要,這將為后期的遺傳咨詢、人工耳蝸植入前診斷提供有效信息。