晶状体的老化和白内障形成

【关键词】 白内障

Ageing lens and development of cataract

【Abstract】 The structural changes of the ageing lens include the increase of lens mass and lens density, the thickening of the anterior lens capsule and the decrease in density of epithelium. The accumulation of fluorogen may play a major role in the yellowing and increasing fluorescence of the lens with age. Increased posttranslational modification of proteins and unfolding of proteins eventually result in the aggregation of proteins and the inactivation of enzymes. The powerful antioxidant scavengers and chaperone molecules of lens are minimized during ageing, thus aggravating the damage induced by posttranslational modification. Cataract, the final stage of the ageing lens, may be regarded as a signal of ageing in other organs. Molecular chaperone may rescue the conformational diseases and revive the inactive enzymes in lens.

【Keywords】 ageing; cataract; conformational disease; translation,genetic;lens,crystalline

【摘要】 晶状体老化的结构性改变包括晶状体质量和密度的增加、晶状体前囊膜的增厚和晶状体上皮细胞密度的降低等.荧光发生素在晶状体中积累，可能主要参与老化过程中晶状体变黄和荧光色素增加.老化晶状体中蛋白质翻译后修饰和蛋白质去折叠增加，最终导致蛋白质凝聚和酶失活.晶状体特有的氧化清除剂和分子伴侣作为强大的防御系统，在老化过程中逐渐衰退，加剧了翻译后修饰造成的损伤.白内障是晶状体老化的最终结果，可作为其他组织器官衰变的信号.分子伴侣能解救构象性疾病，使晶状体重要的代谢酶‘起死回生’.

【关键词】 老化；白内障；构象性疾病；翻译，遗传；晶体

0引言

晶状体具有独特的代谢方式，其中央无显著的蛋白质合成、氧浓度极低、长期遭受环境和眼内各种应激的刺激，给蛋白质翻译后修饰带来了机会，它是研究人体老化极好的器官.白内障的形成是晶状体老化的最终结果.流行病学调查提示50岁以上白内障的发病率明显增加.在印度和中国，发病率较西方国家提前了20 a［1］.白内障的发病和死亡率之间存在着一定关联［2］.白内障可作为其他组织器官衰变的标志.我们重点综述老化和白内障形成过程中晶状体结构和代谢变化的研究进展.

1晶状体结构的改造

11晶状体囊膜晶状体中央部囊膜较周边囊膜厚.随着老化、前囊膜增厚、后囊膜较稳定［3］.前囊膜的增厚可能由于上皮细胞的增生，而后囊膜的伸展性可能是周边囊膜上皮的拉长或者表层皮质晶状体纤维细胞的潜在合成作用所致［4］.

12晶状体上皮细胞 (LECs)年龄相关性的上皮细胞密度的降低，与白内障形成间的关系不确定.早期大多采用白内障手术后LECs的组织学研究，结果表明随着年龄增加，LECs数目增加，但密度降低，女性（平均57806个/mm2）较男性（50086个/mm2）低［5］；在皮质性和混合性白内障中，LECs密度呈年龄相关性降低，平均密度为4000个/mm2，皮质性白内障比核性白内障下降明显［6］.从中央至周边，LECs密度降低，白内障类型与中央和近赤道LECs分裂指数之间无相关性［7］.

如果白内障的形成与LECs密度的降低相关，那么LECs密度的降低应该与晶状体混浊程度间存在负相关关系，但在眼库中保存的晶状体组织研究中，未发现LECs密度与年龄或白内障混浊程度间的关系.相反，在晶状体混浊区域LECs密度较相同晶状体无混浊的相对应区域的LECs密度增加了9%［8］.可能早期大多数研究结果缺乏统计学的显著性.尽管发现有显著的LECs密度的降低，但占相应年龄段的部分却很少，即下降的幅度较少，这样易被人群间的差异所掩盖.尚无研究证实白内障与年龄和性别匹配的正常人群间有LECs密度的降低.

然而，最近采用新型非接触性自聚焦角膜内皮显微镜，活体检查150只无白内障眼（年龄12～79岁），66只皮质性白内障C3以上眼（LOCSIII白内障分级）（年龄50～88岁），结果LECs密度显著降低发生在80岁以上，白内障形成不影响LECs密度和细胞面积的变异系数［9］；Balaram等［10］首次报告了LECs降低与性别、白内障类型和混浊程度间的回归模型.正常人75岁时 LECs约丧失675个/mm2,丧失率为14%.但LECs平均细胞计数与白内障LOCSIII分级间差异无显著性.

尽管Li等［11］首次提出凋亡可导致LECs丧失，但遭到挑战.Harocopos等［8］认为Li等检测到的TUNEL阳性细胞多见于囊膜的剥离区，特别是手术后未立即固定的囊膜，这很可能是手术中或手术后造成的细胞坏死，而非凋亡所致.LECs通过凋亡或其他细胞死亡机制造成的丧失，在年龄相关性白内障形成中并未起重要的作用.

2生理特性的变化

晶状体是富含蛋白质的组织（约占晶状体湿重的34%），透明性是由于这些蛋白质短程(shortrange)的排列方式，特别是α晶状体蛋白.随着年龄老化，晶状体蛋白的结构排列方式发生变化.晶状体重量和厚度增加，男性晶状体较女性重，并且颜色变黄，荧光团增加［4］.至白内障形成时，晶状体核变为暗黄色乃至褐色.van Heyningen 于1971年首次报道晶状体含有荧光色素物(葡萄糖方甙).晶状体纤维细胞中有从色氨酸氧化产物衍变来的犬尿氨酸(Kyn)，这种紫外线过滤因子复合物的存在，可减少295～400 nm光对视网膜的损伤.其中主要包括3羟基犬尿氨酸葡萄糖方甙(3OHKG)、4(2氨基3羟苯基)4氧丁酸OLD葡萄糖方甙(AHBG)、Kyn和3羟基犬尿氨酸(3OHKyn).犬尿氨酸可能与谷胱甘肽或亲核氨基酸(如半胱氨酸)形成3羟基谷胱甘肽犬尿氨酸葡萄糖方甙加合物.随着年龄老化，晶状体中的浓度增加［12］.Garner等［13］发现牛晶状体蛋白可被犬尿氨酸非氧化性修饰，产生有色(在365 nm吸收)和荧光(激发380 nm，发射450～490 nm)的蛋白质加合物.晶状体蛋白的羧甲基化和琥珀酰化，均可抑制90%犬尿氨酸介导的修饰，提示Cys,Lys和His残基可能参与该加合物的形成.犬尿氨酸对晶状体蛋白的修饰不需要UV辐射和氧化作用的催化.紫外线过滤因子的侧链去氨基化后，形成对晶状体亲核氨基酸残基容易结合的K/L不饱和羰基，这是老化过程中晶状体中有色和含荧光的蛋白质聚集的主要原因.蛋白质的凝聚增加了光散射，降低了晶状体的透明性.

3代谢

晶状体的代谢几乎与其他组织相同，但由于许多细胞缺乏三羧酸循环、氧化磷酸化和蛋白质代谢所必须的细胞器，晶状体表层上皮细胞和周边的皮质细胞为主要的代谢部位.由于上皮细胞无线粒体，能源来自葡萄糖水解，戊糖磷酸通路起次要作用［14］.

31酶随着年龄老化，晶状体中大部分酶活性下降，酶的抗原性丧失.这种下降可能经历几个阶段.首先，酶对热依赖性下降，如谷胱甘肽还原酶；然后，酶活性开始下降，合成谷胱甘肽的酶活性也下降，但酶的抗原性尚未丢失，如超氧化物歧化酶；最后酶活性和抗原性完全丧失，如6磷酸葡糖脱氢酶［15］.我们在体外实验研究了糖基化和糖皮质激素对晶状体代谢酶活性和抗原性丧失的关系，提出酶活性和抗原性丧失一致性的观点［16,17］.α晶状体蛋白作为分子伴侣可以保护酶活性和抗原性丧失［18］.酶活性的丧失，并不意味着晶状体防御系统的破坏，因为人晶状体中含有20～30倍谷胱甘肽还原酶的特异性活性.另外，应值得注意房水的变化对晶状体老化的影响.

32晶状体蛋白人晶状体主要的结构蛋白为α，β和γ晶状体蛋白.出生前119 d，β晶状体蛋白占主要地位(49%),而α(235%)和γ(256%)几乎相等.之后至231 d，γ晶状体蛋白增多(292%)，而α (196%)和β(426%)相应减少.出生时至6岁，除γs晶状体蛋白合成外，其他γ晶状体蛋白停止合成.成年晶状体水溶性成分中α，β和γ晶状体蛋白分别约占42%、35%和13%.老年晶状体，由于高分子量复合物形成，α晶状体蛋白含量增加，β和γ晶状体蛋白减少［4］.

随着年龄老化，晶状体蛋白发生年龄相关性的修饰，包括βB1、βB2和βA3/βA1晶状体蛋白N端的切除［19-21］, α晶状体蛋白部分磷酸化和C端降解［19］；αA和γs晶状体蛋白的脱酰胺, αA晶状体蛋白内双硫键形成和γs晶状体蛋白巯基暴露［22］；Lampi等［20］通过质谱研究发现，除βB晶状体蛋白外，其余晶状体蛋白均有脱酰胺.各种翻译后修饰可导致不同程度α晶状体蛋白分子伴侣活性的下降［23］, β晶状体蛋白的溶解性降低［24］.我们对比观察了透明晶状体皮质和核、年龄相关性白内障不同年龄患者晶状体和不同混浊程度晶状体中α晶状体蛋白对过氧化氢酶热凝聚的抑制作用，结果显示： 晶状体皮质α晶状体蛋白的分子伴侣功能强于晶状体核，这与晶状体蛋白合成的方式密切相关，晶状体白较皮质更易受到翻译后修饰.发生白内障后的晶状体核α晶状体蛋白抑制过氧化氢酶热凝聚的功能降低，且与年龄和晶状体的混浊程度有关，这可能与晶状体蛋白遭受翻译后修饰有密切关系［25］.同时我们对幼年、中年和老年兔晶状体α晶状体蛋白采用四种不同的分子伴侣测定方法进行研究，四种评估伴侣功能的方法有类似的结果.不同年龄兔晶状体皮质α晶状体蛋白的保护作用较核强，αH晶状体蛋白的伴侣功能均较αL晶状体蛋白降低；随着老化晶状体皮质αH 和αL晶状体蛋白的伴侣功能无显著性降低，但核αL晶状体蛋白伴侣功能的降低具有显著性［26］.

33膜和其他减少膜电流，增加Ca2+和Na+离子［1］.Schey等［27］研究了7～86岁人晶状体主要内源性蛋白质(major intrinsic protein, MIP)，MIP的含量呈年龄依赖性降低，但切除作用的类型并未明显变化.其中最主要的磷酸化的位置是丝氨酸235，7岁以前已完成去氨基，主要是在天门冬氨酸残端246和259.MIP的C和N端被切除，磷酸化和去氨基作用，导致减少.

4白内障形成

41酶和离子的变化白内障晶状体中活性降低的酶包括6磷酸葡萄糖脱氢酶、6磷酸葡糖酸脱氢酶、3磷酸甘油醛脱氢酶、多元醇脱氢酶、钠钾ATP酶、谷胱甘肽还原酶、谷脱苷肽硫转移酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、醌二氢还原酶(quinonoid dihydropterin reductase) 、乳酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶［1,28］，以及晶状体上皮细胞色素氧化酶活性［29］ 、糖苷酶（包括αL岩藻糖苷酶，αD糖苷酶，βD糖苷酸酶和βD氨基半乳糖苷酶）［30］和酯酶活性的降低［31］.人白内障小分子水平的变化包括钠、钙、铅、镉离子［1］，铁离子、铁蛋白［13］ 、过氧化氢、丙二醛和荧光基团的增加［1］，镁和钾离子的降低［32］，谷胱甘肽、肌醇、抗坏血酸和四氢喋啶的降低［1］.

42晶状体蛋白质翻译后修饰的累积Harding于30年前首次证明翻译后修饰导致白内障晶状体蛋白质发生构象性变化.之后，尤其近10 a的大量研究，普遍认为可能发生于白内障的翻译后修饰包括：糖基化、氨甲酰化、脱酰胺、 附加谷胱甘肽(addition of glutathione)、 附加糖皮质激素(addition of corticosteroids)、 C端降解、N端降解、蛋白质蛋白质二硫化合物形成、天冬氨酰基团消旋性变化、蛋氨酸的氧化［14］和βB1晶状体蛋白N端的切除［33］等.βB1晶状体蛋白的切除程度呈年龄依赖性增加［19］.质谱分析证实翻译后修饰可影响许多蛋白质，但βB2晶状体蛋白相对能够抵抗这种改变［34］.随着年龄老化，βB2晶状体蛋白保持其亲水的N端，而α晶状体蛋白亲水的C端，βA3/A1和βB1晶状体蛋白大部分的N端被切除.C端和N端的亲水性对晶体蛋白的水溶性起重要作用.老化晶状体中βB2晶状体蛋白含量较其他晶状体高，βB2晶状体蛋白的溶解性和/或与其他溶解性差的β晶状体蛋白以非共价结合的倾向性，可能决定了βB2晶状体蛋白的稳定性［34］.

43氧化的证据由于白内障晶状体中主要的抗氧化酶活性降低，并发现白内障晶状体和房水中H2O2水平升高，Spector等［35］提出氧化损伤是白内障形成的启始因素.但是，目前尚不能很好地证实这些酶活性的降低是导致白内障的原因还是结果.老化过程中氧化作用证据极少，仅发现很有限的晶状体蛋白质去折叠，并且氧化损伤的标记物和蛋白质蛋白质二硫化合物较少［1］.可能是由于良好的氧化防御系统的存在和非常低的氧应激有关.Truscott［36］认为随着老化，晶状体中存在一种被称为“屏障”的结构产生，主要抑制晶状体内代谢物的传输.这种“屏障结构”可导致一些有害的代谢产物滞留，并增加其存活的半衰期，比如紫外线过滤因子，这进一步增加了晶状体白质翻译后的修饰机会；同时‘屏障结构’也可抑制抗氧化剂在晶状体中的流动，即使晶状体上皮细胞和皮质功能尚好，氧化作用也可能会在晶状体核区域发生.

5展望

老化和一些年龄相关性疾病中，均存在蛋白质的翻译后修饰，蛋白质去折叠，最终导致蛋白质凝聚，这被称为构象性疾病［37］.这组疾病有类似的病因，既均与老化相关.它包括淀粉病（Alzheimer病、全身淀粉样变性、Down综合征等）、朊病毒病(CJD vCJD BSE，Kuru) 、Huntington病、Alexander病和白内障.相同的病因，类似的发病机制，很可能存在相同的治疗方法.例如，因为谷胱甘肽(GSH)在各种白内障中均降低，提高晶状体中的GSH已被用于治疗白内障.同样提高GSH也已成为年龄相关性神经变性疾病Alzheimer病的治疗策略［38］.阿斯匹林类药物治疗Alzheimer病、白内障、心肌缺血、中风和各种肿瘤的临床资料也有力的支持了这种推测［14］

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英国牛津大学眼科的最新研究成果显示α晶体蛋白和含巯基的还原剂共同作用，可使人白内障晶状体中活性已丧失的酶‘起死回生’［27］.α晶状体蛋白和硫甲丙脯酸使谷胱甘肽还原酶活性‘回升’79%，α晶状体蛋白和二硫苏糖醇使巯醇转移酶活性增加200%.这进一步揭示了α晶体蛋白的分子伴侣活性在维持晶状体代谢中的重要性，同时也为白内障的治疗提供了全新的思路.分子伴侣可‘解救’一类由于蛋白质错误折叠累积导致的构象性疾病，首次临床应用药物治疗构象性疾病已取得可喜结果［40］.我们期待着白内障药物治疗研究的突破.

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