The eye lens and its function

Функция глазного хрусталика в передаче и фокусировании света на сетчатку, где он воспринимается фоторецепторами и превращается в зрительные сигналы. Это осуществляется структурно с помощью архитектуры хрусталика, состоящего из одиночного слоя передних эпителиальных клеток, которые мигрируют во время развития в направлении экватора хрусталика, где они удлиняются, синтезируют большие количества хрусталиковых кристаллинов и, наконец, деградируют свои органеллы, чтобы сформировать центральное ядро хрусталика. Этот процесс начинается во время эмбриогенеза и продолжается более медленными шагами в течение всей жизни, приводя старые волокна в центр хрусталика или ядро, а молодые клетки кортикальных волокон постоянно образуют слой на экваторе [1]. Как только клетки хрусталиковых волокон лишаются органелл, то, как полагают, они не могут замещать или устранять поврежденные белки, так что структура и стабильность хрусталиковых кристаллинов и поддержание строгой системы клеточного гомеостаза необходимы для поддержания нормальной функции хрусталика. Однако недавние доказательства подтверждают, что вновь синтезированные белки могут присутствовать в ядре хрусталика [2] и что клетки волокон центра хрусталика в основном ограничены гликолизом в качестве внутреннего источника энергии, получая метаболическую поддержку из переднего эпителия посредством циркуляции жидкости, хотя это остается спорным [3, 4]. Нарушение любой части этой тонко сбалансированной системы может вызывать катаракту.

Катаракта может быть определена как любое помутнение или помрачение кристаллинов хрусталика [5, 6]. Непрозрачность и рассеивание света возникают, когда коэффициент преломления света хрусталика варьируют существенно в зависимости от расстояния, аппроксимируя длину волны передаваемого света [7, 8]. Прозрачность хрусталика критически зависит как от в правильном порядке расположенных клеток хрусталика, так и от высокой плотности и тесной упаковки их белковых составляющих [5]. Разрушение микроархитектуры хрусталика, включая нарушения расположения клеток и образование вакуолей, могут вызывать серьезные флюктуации в оптической плотности, вызывая рассеивание света и катаракту. Рассеивание света и непрозрачность могут также возникать в результате значительных концентраций агрегатов из белков высокого молекулярного веса в 1000 Е или большего размера. Поскольку кристаллины хрусталика составляют более 90% растворимых белков хрусталика, то их тесная упорядоченная упаковка в гомогенной фазе важна для поддержания прозрачности хрусталика.

Клинически катаракты становятся важными, когда они мешают зрению. Они могут быть подразделены по возрастному началу: врожденная или детская катаракта, проявляющаяся в первые годы жизни; юношеская катаракта, возникающая в первой декаде жизни; пресинильные катаракты до 45 лет; и старческие или связанные с возрастом катаракты соотв., хотя эти границы приблизительны и несколько произвольны. Кроме того, умеренные катаракты могут не наблюдаться годами после своего возникновения, особенно если они бессимптомны. Врожденные катаракты могут быть наследуемыми или вторичными в ответ на внутриматочный инсульт и катаракты могут быть связаны с системными или офтальмологическими генетическими болезнями, не обнаруживаясь вплоть до второй или третьей декады жизни.

Время или внутрихрусталиковое расположение врожденной катаракты могут представлять информацию относительно их генетического происхождения. Помутнение хрусталика обычно обнаруживает тенденцию возникать в клетках и во время, когда синтезируются высокие уровни мутантного белка. Напр., ?-crystallins являются довольно специфическими для клеток волокон и экспрессируются в раннем развитии. Т.о., они составляют основной компонент клеток первичных волокон в эмбриональном ядре, а мутации в нем стремятся ассоциировать с ядерной катарактой. Поскольку генеральные тенденции, подобные этой могут быть идентифицированы, то мутации в др. генах могут вызывать клинически неразличимые катаракты, а идентичные мутации того же самого гена могут вызывать катаракты разных фенотипов. Очевидно, что когда мутации в crystallins или др. хрусталиковых белках достаточно серьёзные, чтобы вызывать агрегацию белков или непосредственно повреждения самих хрусталиковых клеток, то они обычно вызывают врожденные катаракты. Напротив, мутации только повышают чувствительность к повреждению светом, гипергликемией, оксидативными стрессами или др. внешним воздействиям, то они могут вносить вклад в связанные с возрастом катаракты [9]. Т.о., врожденные наследственные катаракты обнаруживают тенденцию наследоваться по Менделевским правилам с высокой пенетрантностью, тогда зависимые от возраста катаракты являются мультифакторными, при этом множественные гены и внешнесредовые факторы влияют на фенотип. Как с поздним началом, так и с неполной пенетрантностью зависимые от возраста катаракты делают их существенно менее значимыми для генетического и биохимического исследования.

Congenital cataract

Показатель врожденных или младенческих катаракт составляет приблизительно 72 на 100000 детей, при этом подсчеты варьируют от 12 до 136 и обычно в целом выше в менее развитых странах [10]. Наследственные катаракты объясняют от 8.3% до 25% врожденных катаракт [11-13]. Врожденные катаракты могут возникать как изолированные дефекты или могут быть ассоциированы с др. аномалиями передней камеры глаз, такими как микрофталмия или аниридия. Помутнение хрусталиков также может быть частью мультисистемных генетических нарушений, таких как хромосомные аномалии, Lowe синдром или Nance Horan Syndrome. В некоторых случаях, это разграничение становится довольно произвольным. Напр., как часть anterior segment mesenchymal dysgenesis (ASMD), возникающих в результате аномалий в гене PITX3 [14], наследственные катаракты могут быть изолированными у некоторых членов семьи и ассоциированы с дополнительными находками у др.

Наследственные Менделевские катаракты чаще всего аутосомно доминантны или Х-сцеплены. Фенотипически идентичные катаракты могут возникать в результате мутаций в разных генетических локусах и могут иметь разный характер наследования, тогда как фенотипически изменчивые катаракты м. обнаруживаться в одной крупной семье [15]. Имеются несколько систем классификации, которые были разработаны на базе анатомической локализации помутнения, из которых одна предложена Merin [16], где катаракты классифицируются как целое (зрелые или полные), полярные (передние или задние), зонулярные (nuclear, lamellar, sutural, etc.), и капсулярные или мембранозные (Fig. 1).

Figure 1. Morphological types of cataract. (a) Dense nuclear. (b) Posterior polar (slit lamp). (c) Anterior polar (slit lamp). (d) Pulverulent lamellar cataract with a cortical rider. (e). Pulverulent nuclear. (f). Posterior subcapsular. (g) Sutural cataract with a cerulean or blue dot component.

Age-related cataract

При обусловленных возрастом катарактах хрусталики прозрачные в детстве и остаются таковыми вплоть до 45 или 50 лет, когда начинает формироваться прогрессирующее помутнение. Зависимые от возраста катаракты почти всегда результат варьирующей комбинации генетической предрасположенности и кумулятивных повреждений от средовых воздействий на белки и клетки хрусталика. Белки хрусталика, как известно, подвергаются широкому разнообразию альтераций с возрастом и многие из них ускоряются в присутствии оксидативных, осмотических или др. стрессов, которые сами по себе известны как ассоциированные в генезом катаракт [17-19]. Альтерации crystallins хрусталика включают протеолиз, увеличение disulfide мостиков, фосфорилирование, неферментативное гликозилирование, carbamylation, деамидирование остатков asparagine и glutamine и racemization остатков aspartic кислоты помимо прочих [20]. Эти химические модификации, как было установлено, увеличиваются в катарактных хрусталиках и обнаруживаются в животных моделях или in vitro при тех же самых стрессах, эпидемиологически ассоциированных с катарактами [21].

Кристаллины являются основными растворимыми структурными белками хрусталика, они служат предметом многочисленных исследований в стареющих хрусталиках. У человека, crystallins представлены тремя основными классами, кодируемыми множественными генами : α-, β- и γ-crystallins, из которых последние два являются частью крупного семейства генов [22]. Т.к. β- b γ-crystallins являются мишенью средовых воздействий и накапливают повреждения в течение всей жизни индивида, они начинают формировать необратимые агрегаты скорее, чем участвуют в нормальных межмолекулярных взаимодействиях и в конечном итоге выпадают из раствора. Обычно это медленная денатурация кристаллинов приводит к их соединению с α-crystallins, которые обладают шаперон-подобной активностью [23]. Однако поскольку соединение с α-crystallins сохраняет растворимость βγ-crystallins и снижает рассеивание света, то это не ведет к их ренатурации и высвобождению в цитоплазму. Наиболее правдоподобная последовательность событий, которая может вести к агрегации и возникновению катаракты, заключается в том, что агрегаты кристаллинов удерживаются в комплексах, которые, оставаясь растворимыми, увеличиваются в размере как дополнительное повреждение белка, приводящее со временем к тому, что они сами становятся достаточно крупными, чтобы рассеивать свет [23, 24]. В конечном итоге доступные α-crystallin сокрушаются с помощью увеличивающихся количеств модифицированных βγ-crystallins и комплексы выпадают в осадок внутрихрусталиковых клеток, формируя нерастворимую фракцию белка, которая, как известно, увеличивается с возрастом и в катарактных хрусталиках.

Связанная с возрастом катаракта ассоциирует с рядом средовых факторов риска [25], а некоторый стиль жизни, по-видимому, оказывает защитный эффект, хотя это не было подтверждено всеми проведенными исследованиями [26, 27] (Table 1). В целом эти исследования не только идентифицировали ряд потенциальных корректируемых факторов риска для связанных с возрастом катаракт, но и также подтвердили, что ядерные, кортикальные и задние подкапсулярные катаракты могут иметь разные, но перекрывающиеся патогенетические механизмы. Эпидемиологические доказательства также подтверждают, что генетические факторы являются важными факторами риска для возрастных катаракт (Table 2) [28].

Table 1. Environmental variables affecting age-related cataract

Overview of cataract genetics

Mendelian or familial cataract

Большинство изолированных катаракт наследуется по Менделевским правилам и обнаруживается при рождении или в детстве [5]. На сегодня известно около 45 генетических локусов, при этом изолированные катаракты были картированы в 38 специфических генах, их количество постоянно увеличивается (Table 3). Некоторые также ассоциированы с дополнительными аномалиями у некоторых затронутых индивидов , включая мутации в генах, кодирующих транскрипционные активаторы, CRYAB (myopathy) и легкая цепь ferritin (FTL) синдром hyperferritinemia-cataract (Table 1). Кроме того, мутации в некоторых генах, напр., некоторые мутации crystallin, могут вызывать ранние и тяжелые повреждения хрусталика, часто ассоциированные с microcornea и даже microphakia.

Table 3. Genes causing non-syndromic Mendelian cataract

Около 10% картированных локусов катаракты не содержат идентифицированных причинных генов, при этом остальные отражают критические процессы в биологии хрусталиков. Примерно половина обнаруживает мутации в crystallins хрусталика, 10% имеют мутации в транскрипционных факторах, 15% в connexins, 5% в промежуточных филаментах или aquaporin 0 и 10% в разных др. генах. Наследование одних и тех же мутаций в разных семьях или одной и той же мутации в той же самой семье могут приводить к радикально отличающимися по морфологии и тяжести катарактам, указывает на то, что дополнительные генетические и средовые факторы могут модифицировать фенотип. Напротив, катаракты со сходной или идентичной морфологией м. возникать в результате мутаций совсем разных генах, вообще-то связь клинических катаракт заключается в финальных общих путях для разных инициальных событий.

Mendelian cataracts reflect lens biology

Developmental or transcription factors

Вообще-то главным фактором в развитии глаз является PAX6, белок с paired box и homeo box доменом, критический для развития глаз. Поскольку большинство мутаций в PAX6 вызывают отсутствие радужки (aniridia) или Peter's аномалию, они могут также вызывать изолированные катаракты. Мутации др. транскрипционных факторов, включая FOXE3, EYA1, PITX3, VSX2, MAF и NHS также могут вызывать катаракту. Мутации в этих генах также могут быть ассоциированы с широким набором дефектов, включая microcornea, колобомы радужки, microphthalmia, дефекты роговицы и ASMD. Очевидным исключением из этого правила является HSF4, который регулирует транскрипцию хитшоковых белков, включая aB-crystallin [29]. HSF4 мутации ассоциируют как с аутосомно-доминантными, так и рецессивными катарактами. Интересно, что доминантные мутации в HSF4 располагаются внутри a-helical ДНК-связывающего домена, тогда как рецессивные мутации лежат вне этого очень консервативного функционального домена.

Дополнительне гены, участвующие в процессах развития, но не транскрипционные факторы сами по себе, могут также вызывать катаракты, будучи мутантными, включая EPHA2, член подсемейства ephrin рецепторов из protein-tyrosine kinases. Мутации в EPHA2 могут вызывать не только доминантные и рецессивные врожденные катаракты, но и неожиданно участвуют также в возникновении зависимых от возраста катаракт. Мутации в TDRD7, a Tudor domain RNA-binding белковом компоненте гранул РНК, которые взаимодействуют с STAU-1 рибонуклеопротеинами, также вызывают катаракты [30].

Cataracts identify biological processes unique to or highly active in the lens

Гены, необходимые на высоких уровнях, для специфических процессов в развитии хрусталиков, участвуют в возникновении катаракт. Мутации в FYCO1, каркасном белке, активном в транспорте микротрубочек из аутофагических пузырьков, ответственны за аутосомно-рецессивные катаракты, указывая тем самым, что аутофагические пузырьки важны для деградации органелл в развивающихся клетках хрусталиковых волокон. Мутации в GCNT2, I-branching энзиме для poly-N-acetyllactosaminoglycans, ответственных за превращение юношеского 'i' во взрослый 'I' тип крови, также вызывают аутосомно-рецессивные катаракты. Мутации в CHMP4B, части эндосомного сортирующего комплекса, необходимого для транспорта, вызывают задние полярные или субкапсулярные катаракты. Синтез больших количеств мембранных компонентов необходим для дифференцировки клеток хрусталиковых волокон, а мутации в acylglycerol kinase (AGK), липидной киназе, катализирующей синтез phosphatidic и lysophosphatidic кислот, и в LIM2, мембранном белке, специфичном для клеточных соединений в хрусталике, также вызывают катаракты.

Циркуляция воды и малых молекул важна для гомеостаза хрусталика, а мутации в SLC16A12, трансмембранном транспортере, участвующем в транспорте монокарбоновой кислоты, могут вызывать доминантные катаракты. Ещё более непосредственно мутации в aquaporin 0 (AQP0 или MIP) являются общераспространенной причиной Менделирующей катаракты с разными морфологиями. Две из мутаций, E134G и T138R, по-видимому, действуют, вмешиваясь в нормальный трафик AQP0 в плазматическую мембрану и тем самым в активность водного канала. Обе вмешиваются в активность водных каналов, осуществляемую нормальными AQP0, это согласуется с доминантно негативным механизмом для катаракт с аутосомно доминантным наследованием. Хромосомная транслокация, затрагивающая TMEM114, трансмембранный гликопротеин, связанный с gamma субъединицами кальциевого канала, вызывает катаракту. GJA3 aи GJA8 (кодирующие коннексины 46 и 50) являются составными частями щелевых соединений, также являются критическими для питания и межклеточных коммуникаций в хрусталиках, вместе обусловливают около 15% семейных катаракт. Мутации и GJA3 и GJA8 обнаруживают тенденцию продуцировать фенотипически сходные аутосомно доминантные ядерные и осоебнно зонулярные pulverulent катаракты.

BFSP1 (CP115 или filensin) и BFSP2 (CP49, phakinin) являются сильно дивергентными белками промежуточных филамент, которые комбинируются в присутствии α-crystallin, чтобы сформировать нанизанные бусами филаменты, тип промежуточных филамент, уникальных для клеток хрусталиковых волокон. Как доминантные, так и рецессивные катаракты были ассоциированы с мутациями в BFSP2, при этом доминантные катаракты вызывались миссенс или in-frame делеционными мутациями, а рецессивные с помощью нонсенс мутаций сдвига рамки считывания. Доминантные катаракты и ядерные или ядерные lamellar, соответствуют экспрессии, специфичной для клеток хрусталиковых волокон, белков филамент с бусинами, тогда как рецессивные катаракты являются кортикальными.

Lens crystallins are a rich target for cataract mutations

Если проверка генов, участвующих во врожденных катарактах, предоставляет информацию о тех биологических путях, которые важны для прозрачности хрусталика, частота мутаций кристаллинов в качестве причины наследуемых катаракт оценивает их как выполняющих главную роль в этом процессе. Мутации в αA-crystallin гене CRYAA может вызывать как аутосомно-рецессивные катаракты, ассоциированные с мутациями на концах цепочки вблизи начала белка, указывая на подверженность nonsense обусловленным распадом, а аутосомно доминантные катаракты, которые обнаруживают тенденцию ассоциировать с не консервативными missense мутациями, оказывают вредные эффекты на клетки хрусталиков.

Поскольку αA- и αB-crystallin обнаруживаются в хрусталиках, ассоциированными с крупными мультимерными комплексами и функционируют сходным образом in vitro, можно ожидать, что мутации в αB-crystallin будут оказывать эффект, сходный с тем что оказывает αA-crystallin, по крайней мере, в хрусталиках. Однако, первые мутации у человека, которые были описаны вαB-crystallin, были missense мутациями, которые снижали драматически активность αB-crystallin шаперона и вызывали агрегацию и преципитацию белка, ассоциированные с миофибриллярной миопатией, но только с 'discrete' катарактами. Ассоциированная миопатия, по-видимому, обусловлена экспрессией αB-crystallin, но не αA-crystallin, в мышечных клетках, где он соединяется и стабилизирует desmin. Эти результаты были воспроизведены у CRYAB knock-out и knock-in мышей.

Поскольку мутации α-crystallin могут вносить вклад в катаракты путем снижения их шапероновой активности, большинство мутаций в βγ-crystallins, по-видимому, вызывают аномалии структуры белка, при этом последующая нестабильность и агрегация и преципитация белка из раствора возможно служит в качестве очага для дополнительной денатурации белка и преципитации и катаракты. Мутации γ-crystallins обнаруживают тенденцию давать ядерные катаракты, это согласуется с их ранней экспрессией и высокими уровнями в ядре хрусталика. Ассоциация идентичных мутаций в βB2-crystallin в разных семьях с ядерными lamellar Coppock-like и cerulean катарактами подчеркивают важность модифицирующих генов в фенотипической экспрессии этих мутаций.

Некоторые мутации в γD-crystallin, как было установлено, не обнаруживают повреждений в укладке белка, но изменяются поверхностные характеристики мутантного белка, происходит снижение растворимости и усиление их скорости кристаллической nucleation [31]. Это приводит к их преципитации из раствора благодаря гидрофобным взаимодействиям при мутации R36S и благодаря, действительно, формированию кристаллов в хрусталиках при мутации R58H. При третьей мутации в γD-crystallin, R14C, белок также сохраняет обычную укладку белка, но он чувствителен к thiol-обусловленной агрегации [32]. Эти результаты подчеркивают, что кристаллины не обязательно должны подвергаться денатурации или др. крупным изменениям своих белковых складок, чтобы вызывать катаракты.

Наконец, синдром hyperferritinemia-cataract, при котором катаракты ассоциируют с hyperferritinemia в отсутствие избытка железа, представляет собой пример последствий неадекватной экспрессии чужеродного белка на crystallin-подобных уровнях. Мутации в ferritin L (легкой цепи) чувствительного к железу элемента освобождают мРНК от трансляционного контроля с помощью iron регуляторного белка, приводя к избыточной экспрессии ferritin с кристаллизацией ferritin в хрусталике и последующему появлению помутнения в виде хлебных крошек в кортексе и ядре. Это подчеркивает необходимость, чтобы кристаллины д. быть исключительно растворимы и быть упакованы тесно, чтобы избежать дисфункции.

Age-related cataract and lens homeostasis

Linkage studies and adult-onset Mendelian cataracts

Описан ряд врожденных катаракт с возрастной задержкой начала или прогрессированием помутнения в течение всей жизни, включая юношеские катаракты из-за мутаций в BFSP2, SLC16A12, TMEM114, MAF, aquaporin-0 (MIP), γC-crystallin и CAAR локусах. Эти примеры, по-видимому, демонстрируют, чо мутации, которые сильно нарушают белки или ингибируют их функцию, могут вызывать врожденные катаракты, наследуемые как Менделевские признаки с высокой пенетрантностью, в то время как мутации, которые вызывают менее тяжелые повреждения в том же самом белке или нарушающие его функцию лишь слегка, могут вносить вклад в зависимые от возраста или прогрессирующие катаракты, или с пониженной пенетрантностью или даже более сложным мультифакториальным паттерном наследования. Сходным образом, мутации, которые тяжело нарушают архитектуру или среду клеток хрусталика могут давать врожденные катаракты, тогда как др., которые вызывают относительно легкие нарушения гомеостаза клеток хрусталика могут вносить вклад в зависимые от возраста катаракты.

Благодаря своей пониженной пенетрантности, мультифакториальному происхождению и позднему началу, идентификация генов, вносящих вклад в в возрастные катаракты, происходит значительно медленнее по сравнению с врожденными и младенческими катарактами. Только сканирование сцепления по всему геному выявило ряд локусов крупной и минорной чувствительности к зависимой от возраста кортикальной катаракте у белых [33]. Большинство статистически достоверных локусов на хромосоме 6p12, картировано вблизи к локуса чувствительности к type 2 диабету и ретинопатии [OMIM #125853; по OMIM (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/) и Cat-Map (http://cat-map.wustl.edu/) online базам данных], известных факторов риска для связанных с возрастом кортикальных катаракт. Второй локус был идентифицирован на хромосоме 1p вблизи гена EPHA2.

Association studies

Galactosemic катаракты предоставляют интересный пример мутаций, тяжело нарушающих гены, вызывающих катаракты с ранним началом, тогда как слабые мутации, просто снижающие их активность, вносят вклад в связанные с возрастом катаракты [34]. Дефициты galactokinase (GALK1), galactose-1-phosphate uridyl transferase, и тяжелые дефициты uridine diphosphate 1-4 epimerase вызывают аутосомно рецессивные катаракты как результат накопления galactitol и последующего осмотического набухания. Вариант 'Osaka' galactokinase (A198V), вызывает нестабильность мутантного белка и отвечает за умеренный дефицит galactokinase, связан с достоверным увеличением билатеральных катаракт у взрослых японцев [35]. Частота аллеля варианта Osaka составляет 4.1% у японцев и в 7.1% у японцев с катарактами. Она имеет более низкий показатель у корейцев и китайцев и отсутствует у чернокожих или белых из США или Сев. Италии [36]. Сходным образом, гетерозиготный дефицит активности GALK1 и galactose-1-phosphate uridyl transferase ассоциирует с повышенным риском связанных с возрастом катаракт [37]. Результаты GALK1 хорошо согласуются с известным влиянием hyperglycemia на связанные с возрастом катаракты, возможно с оксидативным компонентом или осмотическим повреждением, возникающими в результате накопления polyol. С этим согласуются данные на животных и ассоциации чувствительности к катарактам в результате осложнений диабета у человека при специфическом аллеле гена aldose reductase [38].

Вторым геном кандидатом для катаракт, связанных с возрастом, является ген EPHA2 в регионе хромосомы 1, идентифицированный с помощью анализа не-парметрического сцепления [33]. Этот регион перекрывает локусы для наследственных форм младенческих катаракт, ассоциированных с мутациями в гене, кодирующем Eph-receptor type-A2 (EPHA2), который действует в передаче сигналов в клетке ephrin и в пути наведения аксонов [39-41]. SNPs в регионе EPHA2 хромосомы 1 ассоциированы с зависимыми от возраста кортикальными катарактами, подтверждая, что варианты EPHA2 могут лежать в основе как Менделирующей, так и зависимой от возраста форм катаракт [39, 42-44].

Помимо GALK1 и EPHA2, ряд локусов и генов описан в ассоциации с катарактами, вызываемыми возрастом. Ассоциация одного из первых идентифицированных локусов с возрастными катарактами, стал нулевой аллель локуса GSTM1, оказавшийся несовместимым [45], как и локуса GSTT1. Альтерации транспортера monocarboxylate SLC16A12 также сопричастны к ювенильной кортикальной и ядерной катаракте и оказались ассоциированными с катарактами, зависимыми от возраста. Кроме того, противоречивая или неподтвержденная ассоциация генов репарации ДНК WRN, XPD и XRCC1, а также HSF4 kinesin light chain 1 гена KCL1 была описана для катаракт, связанных с пожилым возрастом.

Genetics of human cataract A Shiels, J F Hejtmancik Clinical Genetics Volume 84, Issue 2, pages 120–127, August 2013

Genetics of human cataract
A Shiels, J F Hejtmancik
Clinical Genetics Volume 84, Issue 2, pages 120–127, August 2013