标题：Zebrafish as a model for crystallin-associated congenital cataracts in humans

期刊：Frontiers in Cell and Developmental Biology

原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2025.1552988/full

摘要

先天性白内障是儿童视力丧失的主要原因，可作为独立病症出现，也可与全身系统异常相关联。孤立性先天性白内障最常与晶状体蛋白基因中的致病变异相关。α-晶状体蛋白是小型热休克蛋白，可在晶状体及全身其他器官中充当分子伴侣，防止蛋白质聚集并维持组织功能。相比之下，β-和γ-晶状体蛋白是结构蛋白，主要在成熟晶状体中表达并调节其折射率。然而，晶状体蛋白在晶状体发育过程中发挥作用、进而使致病变异导致遗传性白内障的机制，目前尚未得到充分阐明。斑马鱼能够实时观察晶状体发育，对内源性晶状体蛋白基因进行基因编辑，以及对已发现的致病变异进行转基因过表达，都能为先天性白内障的发病机制研究提供重要见解。本文综述了人类与斑马鱼晶状体蛋白基因的异同之处，进一步探讨了斑马鱼作为先天性白内障研究模型的应用价值，并剖析了晶状体蛋白在晶状体发育中发挥作用的潜在机制。更深入地理解先天性白内障的遗传病因，将为预防先天性白内障及其相关并发症导致的失明带来突破性进展。

关键词 先天性白内障，斑马鱼，晶状体蛋白，cryaa，cryab

引言

据估计，先天性晶状体疾病和白内障在全球范围内影响着2万至4万名儿童（Rahi等人，2001年；Sheeladevi等人，2016年；Bell等人，2020年）。先天性晶状体疾病面临的一个挑战是其病因多样（如遗传、感染、毒性因素），眼部表现可单独出现（约70%）、与其他眼部异常相关（约15%），或作为更广泛的系统性综合征的一部分出现（约15%）（Bell等人，2020年；Yi等人，2011年；Patel等人，2019年）。孤立性单侧眼部表现，尤其是无类似眼部表现家族史的情况，通常归因于体细胞突变，但对于这些患者，仍需重视进行基因检测，因为遗传性眼部疾病因外显率不全、嵌合现象、表观遗传或环境因素，往往会以不对称的方式发病。双侧眼部表现的患者应转诊进行基因评估，以确定是否存在可识别的遗传病因及潜在的全身性受累（Bell 等人，2020；Gillespie 等人，2016）。

人类晶状体蛋白与遗传性白内障

晶状体蛋白基因（CRY）的变异预计约占孤立性非综合征性遗传性白内障的一半，然而它们在晶状体发育中的作用尚未明确（希尔斯与海特曼奇克，2015；希尔斯与海特曼奇克，2017；贝里等人，2020）。晶状体蛋白占成熟晶状体中蛋白质的约90%，分为α、β和γ亚型，所有这些亚型均与常染色体显性和/或常染色体隐性先天性白内障相关（贝尔等人，2020；贝里等人，2020；威斯托，2012）。最常见的致先天性白内障变异涉及CRYAA、CRYGD、CRYBB1、CRYBA1基因（贝里等人，2020；威斯托，2012）。

人类体内存在两种α-晶状体蛋白亚基，即αA和αB，它们分别由CRYAA和CRYAB基因编码（Berry等人，2020；Wistow & Piatigorsky，1988；Horwitz，2003）。α-晶状体蛋白属于小分子热休克蛋白超家族，作为分子伴侣阻止其他蛋白质聚集，从而维持晶状体的透明度（Wistow，2012；Wistow & Piatigorsky，1988）。此外，这些蛋白质以寡聚体形式存在，其亚基数量通常超过20个，且具有高度保守的晶状体蛋白结构域、疏水性N端和柔性C端延伸区（Wistow，2012）。晶状体蛋白结构域可响应环境变化（如pH值和金属离子），并与N端结构域共同结合不稳定的蛋白质。这些寡聚体处于动态变化状态，因为小分子多聚体的交换是其分子伴侣功能发挥的必要条件（Wistow，2012）。此外，CRYAB作为应激诱导型热休克蛋白进化而来，其会发生磷酸化修饰，进而改变寡聚体的大小和蛋白质结合速率（Wistow，2012；Clark等人，2012；Thornell & Aquilina，2015；Muranova等人，2018）。CRYAA主要在晶状体中表达，而CRYAB还存在于心脏、骨骼肌等其他组织中。因此，CRYAB变异体除了与先天性白内障相关外，还与心肌病和骨骼肌病有关（Berry等人，2020；Reis & Semina，2019）。

β-和γ-晶状体蛋白是一类独立的蛋白质家族，主要在晶状体中表达，其功能是维持晶状体的折射率（Wistow, 2012; Slingsby and Clout, 1999）。在人类中，β-晶状体蛋白由CRYBA1、CRYBA2、CRYBA4、CRYBB1、CRYBB2和CRYBB3基因编码的六个亚基组成，其中前三个为酸性形式，后三个为碱性形式（Berry et al., 2020; Wistow, 2012）。5种γ-晶状体蛋白由CRYGA、CRYGB、CRYGC、CRYGD和CRYGS基因编码，并聚集在2号染色体2q34区域（Wistow, 2012; Shiloh et al., 1986）。其他哺乳动物还有三个额外的γ-晶状体蛋白基因（CRYGE、CRYGF和CRYGN），但这些基因在人类中已成为假基因，无表达证据（Wistow, 2012; Riazuddin et al., 2005; Wistow et al., 2005）。β-和γ-晶状体蛋白的结构与α-晶状体蛋白不同，二者均由两个结构域组成，每个结构域包含希腊钥匙基序（Berry et al., 2020; Wistow, 2012）。β-晶状体蛋白还可具有N端或C端延伸序列，这使其能够形成小分子复合物。低聚体，而γ-晶状体蛋白则以简单的单体形式存在（威斯托，2012；威斯托和皮亚蒂戈尔斯基，1988）。

斑马鱼作为研究晶状体发育的模型

由于斑马鱼与人类眼睛在遗传和解剖结构上具有相似性，且可通过实时成像技术进行观察（格罗斯与珀金斯，2008），因此其在先天性疾病的建模与研究中具有重要意义。活体成像技术尤其适用于观察晶状体因遗传变异引发的细微变化，这类变化在体外研究中很可能被忽略（格雷林与克拉克，2009；望月等人，2017）。过去，研究人员通过鸡晶状体在晶状体胚胎学领域取得了诸多进展。然而，斑马鱼或许是更优的模型，因为其胚胎发育过程与人类晶状体更为相似。CRISPR-Cas9 基因编辑、Cre-Lox 组织特异性及时间特异性基因敲除等技术的出现，为眼部发育研究以及包括遗传性白内障在内的遗传性眼部异常的评估提供了重要见解（赵等人，2021；彭等人，2024）。

斑马鱼的晶状体发育与人类相似，且与整体眼部发育密切相关，而眼部发育涉及神经上皮、表面上皮和神经嵴细胞之间的相互作用。在斑马鱼中，神经上皮来源的视泡从发育中大脑的间脑外翻发生于6体节期（受精后12小时，hpf），人类则约在第25天（Chow和Lang, 2001; Zagozewski等人, 2014; Abitbol, 2015）。随后，视泡与上方的表面上皮相互作用，刺激双层视杯内陷，并在斑马鱼受精后16小时、人类约第28天时，诱导表面外胚层内形成晶状体板（Canto-Soler和Adler, 2006; Fuhrmann, 2010）。随着视泡分化为外层视网膜色素上皮和内层神经视网膜，晶状体泡与上方的表面上皮分离，而该表面上皮最终会形成角膜上皮（Fuhrmann, 2010; Cardozo等人, 2023）。人类会形成中空的晶状体泡，而斑马鱼的晶状体细胞则从表面外胚层整体脱层（Dahm等人, 2007）。这种差异可能源于斑马鱼眼中晶状体与角膜紧密贴合，在水生环境中形成单一的光学折射面；而人类眼睛暴露在空气中，拥有角膜/泪膜和晶状体双重折射面。不过，这种胚胎学差异似乎不会影响晶状体的透明度或屈光能力，也不太可能受晶蛋白功能及其变体的影响。与此同时，中胚层和神经嵴来源的眼周间充质会迁移至眼前段，既会进入视杯边缘与表面外胚层之间，也会沿视杯鼻下侧通过视裂迁移（Williams等人, 2017; Williams和Bohnsack, 2020）。在眼前段内，神经嵴细胞随后迁移并参与角膜基质、角膜内皮、虹膜基质、睫状体基质和巩膜的形成（McMenamin, 1989）。视裂还会输送玻璃样血管，这是玻璃体腔内的主要血管网络，与包裹晶状体并为发育中的眼前段提供支持的血管膜相连。腔（Lingam 等人，2021）。玻璃体血管和血管膜均会在前房发育后被吸收，若吸收失败，可能引发轻度异常，如米滕多夫点、贝格迈斯特乳头、前极性白内障和瞳孔膜，也可能导致严重的影响视力的异常，如前/后永存胎儿血管（Shastry, 2009; Lutty 和 McLeod, 2018）。

在晶状体中，晶状体后上皮细胞分化为初级晶状体纤维细胞（Cvekl和Ashery-Padan，2014；Kumar和Reilly，2020）。这些细胞增殖以填充原始晶状体间隙，并留在晶状体中心形成胎儿晶状体核。子细胞持续增殖，产生晶状体上皮细胞和晶状体纤维细胞，这一过程在斑马鱼中36小时胚胎期（hpf）、人类胚胎中60天时即可观察到（Cvekl和Ashery-Padan，2014）。晶状体上皮细胞为立方形单层细胞，可分泌基底膜，临床上称为晶状体囊。晶状体囊保护晶状体纤维，并通过睫状小带促进晶状体与周围睫状突的连接（Cvekl和Ashery-Padan，2014；Kumar和Reilly，2020）。

在72小时份的斑马鱼幼虫中，大部分细胞会在赤道区分化为次级晶状体纤维细胞。这些细胞退出细胞周期并伸长，在整个生命周期中形成同心层，进而构成晶状体核及其周围的皮质。晶状体纤维细胞的分化过程包括上皮标志物的下调、晶状体蛋白合成的增加与有序排列、水通道蛋白（如水通道蛋白）表达的上调，以及细胞质细胞器的降解，以此赋予晶状体屈光能力并维持其透明性（巴斯尼特，2009；巴斯尼特等人，2011）。多种转录因子——c-maf、l-maf、prox1和pax6——已在动物模型中被证实，对调控晶状体上皮细胞向纤维细胞的分化至关重要，其中在鸡和小鼠体内，这些因子还参与晶状体蛋白基因的表达调控（夫克尔与阿舍里-帕丹，2014；杨等人，2006）。此外，由于晶状体纤维细胞缺乏细胞器，蛋白质的更新由α-晶状体蛋白的分子伴侣活性调控（夏尔马与桑托什库马尔，2009）。另一方面，随着晶状体纤维在出生后持续沉积，β-和γ-晶状体蛋白负责调节晶状体的折射率（威斯托，2012；夏尔马与桑托什库马尔，2009）。因此，晶状体是一种动态组织，深入了解其早期发育与后续生长，对于阐释相关疾病的发病机制具有重要意义。

随着年龄增长，人类和斑马鱼都会发生白内障，这是由于蛋白质聚集导致晶状体透明度丧失（Khatiwada 等人，2024）。相反，先天性白内障是晶状体发育受损的结果，其成因与众多基因相关，包括编码调控信号通路的转录因子的基因、作为细胞内支架的细胞骨架蛋白，以及在无血管晶状体内调控细胞间通讯的膜结合蛋白（Bell 等人，2020；Berry 等人，2020）。值得注意的是，尽管晶体蛋白基因变异是与先天性白内障相关的最常见基因家族，但它们在晶状体发育中的作用尚不太明确，因为它们通常被认为是维持成熟晶状体的组织透明度。

斑马鱼中的晶状体蛋白基因

晶状体蛋白在出生后对维持晶状体透明度和折射率具有重要作用，而CRY基因在晶状体发育过程中也发挥着作用。动物研究才刚刚开始揭示不同cry基因所调控的信号网络。斑马鱼在进化过程中经历了硬骨鱼祖先的基因组复制，这使得许多哺乳动物基因对应了多个斑马鱼基因（有时为2至4个独立基因）（Taylor等人，2003年）。因此，人类拥有2个CRYα、6个CRYβ和5个CRYγ基因，而斑马鱼有3个cryα、13个cryβ和40个cryγ基因。此外，斑马鱼还有4个cryβγ基因，这些基因主要是晶状体旁系同源基因（Farnsworth等人，2021年）。斑马鱼与人类的α-晶状体蛋白具有高度同源性，但与β和γ蛋白的同源性差异更大（Farnsworth等人，2021年；Posner，2003年）。除基因表达数据外，关于β和γ晶状体蛋白的功能数据十分有限（Wistow等人，2005年；Farnsworth等人，2021年）。此外，斑马鱼缺乏人类CRYγA、CRYγB、CRYγC和CRYγD基因的同源基因，因为鱼类中大多数cryγ基因属于水生特异性γM家族。γM家族富含甲硫氨酸，形成的蛋白质密度更高，据推测，这类蛋白质有助于在水环境而非大气环境中实现光折射（Mahler等人，2013年）。在成年斑马鱼晶状体中，γ-晶状体蛋白占比最高（47%），β-晶状体蛋白次之，占总蛋白的36%。成熟晶状体中α-晶状体蛋白仅占一小部分（8%）（Posner等人，2008年）。尽管如此，出生后晶状体中α-晶状体蛋白的低占比并不排除其在晶状体发育中的重要性。

α-晶状体蛋白

斑马鱼Cryaa蛋白的氨基酸序列与人类CRYAA蛋白的同源性达72%（表1）（Runkle等人，2002年）。功能分析显示，斑马鱼Cryaa蛋白与人类CRYAA蛋白具有相似的分子伴侣活性。然而，斑马鱼Cryaa蛋白在高温下的稳定性更低，且在较低温度下发挥作用，这与人类CRYAA蛋白形成对比，这一差异很可能反映了物种特异性的环境差异（Dahlman等人，2005年）。 此外，由于硬骨鱼祖先的基因组复制，斑马鱼存在两个cryab基因，分别为cryaba和cryabb（Smith等人，2006年；Mishra等人，2018年）。Cryaba和Cryabb蛋白与人类CRYAB蛋白的同源性分别为61%和58%（表2）（Smith等人，2006年）。总体而言，斑马鱼αB-晶体蛋白的基础分子伴侣活性低于αA-晶体蛋白，这可能与其作为应激诱导型热休克蛋白的功能相关——该蛋白需要磷酸化等翻译后修饰才能被完全激活（Smith等人，2006年）。 近期的单细胞转录组分析表明，cryaa基因仅在晶状体纤维细胞中表达，是表达最早的晶体蛋白基因，其表达始于受精后48小时（hpf），并在随后3天内持续升高。相比之下，cryaba和cryabb基因主要在斑马鱼胚胎期（0-72小时）和幼体早期（72-120小时）的非眼部组织中表达（Farnsworth等人，2021年）。

Cryaa

斑马鱼α-晶状体蛋白作为先天性白内障致病因素的研究关注度，最初因自发的cloche突变体而受到关注。该突变体除了存在造血和血管异常外，还在受精后72小时出现白内障（Goishi等人，2006年）。早期研究报道cryaa mRNA和Cryaa蛋白表达水平下降，然而后续采用更先进分子技术的研究表明，白内障并非由cryaa缺失引起，而是源于晶状体细胞稳态的整体破坏（Goishi等人，2006年；Posner等人，2019年）。尽管如此，Posner等人的研究显示，通过CRISPR-Cas9基因编辑技术构建的cryaa突变斑马鱼在受精后72小时也出现了晶状体异常（Posner等人，2023年）。在cryaa -/-与cryaa (-/-)杂交获得的cryaa -/-突变胚胎中，约60%出现了不同严重程度的晶状体改变，从初级纤维细胞出现轻微的“粗糙”区域或沿外周纤维细胞边界的细微异常，到更为严重的中央凹陷以及纤维细胞间界面异常（Posner等人，2023年）。此外，晶状体纤维细胞的去核过程在受精后72至96小时出现轻微延迟，但最终cryaa的缺失并未阻止纤维细胞内细胞核的消失。Zou等人也报道了通过TALEN核酸酶基因编辑构建的cryaa -/-突变斑马鱼，其表现出相似的表型和外显率（约50%）。在杂合cryaa ± × cryaa ±杂交的后代中（Zou等人，2015年）。有趣的是，他们发现纯合cryaa −/− × cryaa −/−杂交产生的胚胎表现出超过90%的高表型外显率，并将这一差异归因于杂合杂交中通过母体传递获得的cryaa转录本。由于Posner等人开展的突变体研究也源自纯合cryaa −/−杂交，因此表型外显率的差异原因尚不明确。一种可能的解释是所使用的野生型遗传背景的影响。值得注意的是，AB品系（Zou等人研究中使用的品系）在96小时胚胎期的白内障发生率为16%，高于TL品系的9%（Khatiwada等人，2024年）。Posner等人的研究采用了ZDR品系，目前尚无关于该品系早发性白内障发生率的公开数据，但该野生型品系中有27%的个体在18月龄时会出现白内障（Posner等人，2024年；Posner等人，2023年）。由于不同品系的基础白内障易感性存在差异，研究中所使用的品系类型应被纳入考量。

关于cryaa基因功能的额外动物研究，采用了先天性白内障患者中发现的致病变异。R49C变异首次在一个患有遗传性白内障的四代家族中被识别，它会改变CRYAA蛋白的N端结构域（Mackay等人，2003年）。据预测，这种变异会增强对未受损蛋白的亲和力，从而使结合位点，进而导致分子伴侣/蛋白质聚集，最终形成白内障（Koteiche和McHaourab，2006；McHaourab等人，2009）。通过在晶状体特异性启动子下注射转基因构建的R49C变体斑马鱼敲入模型，表现出与cryaa−/−突变体相似的表型，在72小时 post-fertilization（hpf，受精后小时数）时，许多（但并非全部）受影响的斑马鱼可检测到晶状体变化（Mishra等人，2018；Wu等人，2018）。当R49C cryaa转基因与cryaa−/−纯合缺失背景配对时，晶状体变化的发生频率有所增加。有趣的是，R49C变体导致不稳定的晶体蛋白聚集，使斑马鱼幼虫出现晶状体异常的频率更高（Wu等人，2018）。在小鼠中敲入R49C变体后，动物在出生后2天出现白内障，进一步研究揭示了晶状体内的多种改变，包括生物合成和代谢通路的变化。这导致肌酸激酶活性升高、乳酸水平改变以及组蛋白表达异常，具体表现为H2组蛋白增加、H3组蛋白减少（Andley等人，2018；Frankfater等人，2020）。对小鼠的其他研究表明，多种H2和H3基因的破坏也会通过DNA甲基化的改变以及最终下游基因表达的变化，引发晶状体异常（Vetrivel等人，2019；Andley等人，2020；Hamilton等人，2020）。关于R49C变体的作用以及cryaa在晶状体发育过程中的下游靶点，目前尚未在斑马鱼中开展类似的分子研究。综上，cryaa在斑马鱼晶状体发育中发挥作用，其表达异常会增加先天性晶状体异常的风险，但仍需进一步研究来阐明cryaa在斑马鱼晶状体内的下游靶点。

Cryab

尽管CRYAA变异体与先天性白内障的关联更为常见，但CRYAB变异体也在遗传性白内障患者中被发现。在斑马鱼中，关于cryaba⁻/⁻和cryabb⁻/⁻纯合突变体的研究结论存在分歧。Posner等人报道，cryaba⁻/⁻斑马鱼及其幼体在受精后72小时和96小时未出现明显的晶状体发育异常（Posner等人，2023）。然而，该团队后续研究发现，近半数cryaba⁻/⁻突变斑马鱼在2岁时出现年龄相关性白内障，而野生型和cryaa⁻/⁻突变斑马鱼的这一比例约为25%（Posner等人，2024）。相比之下，Mishra等人发现cryaba±、cryaba⁻/⁻以及cryabb±、cryabb⁻/⁻斑马鱼在受精后72-96小时就出现了白内障，且纯合突变体的白内障发生率高于杂合子斑马鱼。此外，cryaba⁻/⁻; cryabb⁻/⁻双突变体和cryaa⁻/⁻; cryaba⁻/⁻双突变体的晶状体异常发生率更高，在75%至95%的斑马鱼中出现（Mishra等人，2018）。Mishra等人研究中的cryaba⁻/⁻和cryabb⁻/⁻突变斑马鱼的表型相较于通过抑制蛋白质翻译来敲低Cryaba和Cryabb表达的吗啉代寡核苷酸敲低模型更为轻微（Zou等人，2015）。但这可能是由于吗啉代寡核苷酸产生的系统性毒性效应，以及对斑马鱼整体生长发育的抑制作用。Posner和Mishra研究中表型的差异可能与基因敲除的致病性有关，尽管两项研究均证实了相应mRNA的表达缺失。此外，Posner等人发现成年cryabb⁻/⁻突变体的晶状体中表达一种截短形式的Cryabb蛋白，该蛋白预计包含抗聚集分子伴侣位点。Cryabb 这种截短形式的存在并未在胚胎晶状体中得到验证，且这也无法解释 Posner 等人与 Mishra 等人所呈现的两种 cryaba −/−突变体之间的表型差异（Posner 等人，2023）。与上述讨论类似，表型差异也可能由品系背景导致，但仍需开展额外研究以进一步阐明这种差异的成因。

与CRYAA基因类似，研究人员在CRYAB基因中也发现了某些与遗传性白内障相关的致病突变，且这一发现被用于研究这些突变对蛋白质结构和功能的影响，以及其在组织内引发的后续下游效应（Vicart等人，1998年）。在一个家系的患病成员中，CRYAB基因的R120G突变被发现与心肌病、骨骼肌病以及发病年龄不明的“局限性晶状体混浊”相关（Vicart等人，1998年）。CRYAB基因的R120G突变位于α-晶状体结构域内，会导致蛋白质不稳定，引发寡聚体破坏并最终发生聚集（Bova等人，1999年；Darvazi等人，2024年）。R120G突变对CRYAB蛋白的影响程度似乎不及R49C突变对CRYAA蛋白的影响（Wu等人，2018年），且二者在人体中表现出的表型也存在差异（Berry等人，2020年；Mackay等人，2003年）。在斑马鱼模型中，在晶状体特异性启动子下敲入R120G cryab转基因仅导致轻微的晶状体缺陷，而当该转基因与cryaba −/−；cryabb −/−双突变体杂交后，缺陷的外显率和严重程度显著增加（Wu等人，2018年）。小鼠研究也证实，敲入R120G Cryab突变会引发白内障，但其发病时间相较于R49C Cryaa突变体略有延迟（为出生后2周）（Andley等人，2018年）。

在小鼠体内，R120G Cryab 变体对组蛋白表达的影响较小，但确实改变了参与核酸合成与降解以及内质网蛋白质加工的代谢通路（Andley 等人，2018；Frankfater 等人，2020）。目前缺乏评估 R120G cryab 变体在斑马鱼中下游效应的研究。尽管如此，这些研究为了解 cryaba 和 cryabb 在晶状体发育中的作用以及导致早发性白内障形成的致病变异的影响提供了重要见解。

更多研究表明，αB-晶体蛋白与溶酶体活性的调节存在关联，而溶酶体活性是晶状体纤维细胞分化过程中细胞器降解所必需的（Costrell 等人，2013；Morishita 等人，2013；Chauss 等人，2014；Cui 等人，2020）。编码热休克转录因子 HSF4 的 HSF4 基因发生致病变异，与人类白内障相关；同样，在小鼠或斑马鱼中敲除 Hsf4 也会导致白内障早发（Bu 等人，2002；Min 等人，2004；Ke 等人，2006；Gao 等人，2017）。进一步研究发现，hsf4 基因敲除（hsf4 −/−）突变斑马鱼的晶状体中，cryaba 基因表达下降，溶酶体 pH 异常升高（Cui 等人，2020）。斑马鱼的这一体内研究数据，结合小鼠晶状体上皮细胞的体外研究结果，表明 Hsf4 可调控 αB-晶体蛋白的表达，而 αB-晶体蛋白能与 ATP6V1A-mTORC1 复合物结合。由于 αB-晶体蛋白可稳定该复合物并阻止其降解，作为质子泵组成部分的 ATP6V1A 能维持溶酶体内的酸性环境，同时 mTORC1 则在溶酶体表面被激活（Cui 等人，2020）。在斑马鱼中，有研究推测敲除 hsf4 会导致 cryaba 表达减少，进而通过升高溶酶体 pH 以及抑制晶状体纤维细胞内的去核与细胞器降解（Cui 等人，2020；Gao 等人，2017）。

进一步的研究表明，αB-晶状体蛋白也参与晶状体内部的胆固醇生物合成（Frankfater 等人，2020；Park 等人，2023）。胆固醇在晶状体内部合成，且需以高浓度存在，以维持晶状体纤维细胞膜的物理特性，并减少氧气运输以降低氧化损伤（Zelenka，1984；Widomska 与 Subczynski，2019）。胆固醇合成的缺陷与白内障相关（Cenedella，1996）。在斑马鱼中，通过提高胆固醇生物合成可逆转cryaba −/−纯合缺失突变体的白内障形成（Park 等人，2023）。在 Park 等人的这项研究中，研究人员将cryaba −/−与nrf2 −/−突变体进行杂交，令人意外的是，这一杂交挽救了晶状体异常。转录组分析进一步明确，双突变体（cryaba −/−、nrf2 −/−）中参与胆固醇生物合成的酶（包括cyp51、dhcr24、ebp、las、msmol、sqlea、hmgcra和hmgcs1）表达上调。80 Nrf2 编码一种可减轻氧化应激的转录因子，因此目前尚不清楚其导致胆固醇生物合成增加的确切机制。此外，该研究未显示cryaba −/−突变体中这些胆固醇酶存在特异性下调，但针对Cryab R120G敲入小鼠的研究表明，该突变蛋白会降低晶状体内部部分微量甾醇的含量（Frankfater 等人，2020）。因此，需开展更多研究以更好地阐明αB-晶状体蛋白与晶状体内部胆固醇合成之间的关系。

虽然α-晶状体蛋白通常与先天性白内障相关联，但CRYAB基因的变异也与骨骼肌病和心肌病相关，包括肌原纤维性、限制性和肥厚性亚型（迪马罗等人，2018；索克塞尔松与钦，2024）。在心脏中，CRYAB蛋白可防止蛋白质错误折叠，并对蛋白毒性起到保护作用（米特拉等人，2013；麦克伦登与罗宾斯，2015）。CRYAB基因的变异会损害其分子伴侣功能，进而阻碍其从细胞质基质向细胞骨架的转位，抑制低聚体交换并降低底物结合能力。这最终会导致肌肉横纹异常和组织功能障碍，引发多种心血管疾病（索克塞尔松与钦，2024）。在斑马鱼胚胎中，cryaa基因主要在发育中的晶状体中表达，而cryaba和cryabb基因在48小时胚胎期（hpf）会在肌肉祖细胞、原始心脏等其他细胞中表达（法恩斯沃思等人，2021）。米什拉等人的研究发现，cryaba−/−和cryabb−/−突变体的心脏外观正常，但在环境应激或暴露于外源性糖皮质激素时，会出现心包水肿和扩张型心肌病（米什拉等人，2018）。研究人员在斑马鱼中评估了与肌原纤维性肌病相关的CRYAB基因G154S变异，结果显示该变异会导致肌原纤维聚集和肌纤维结构破坏（赖利希等人，2010；瓦泰米等人，2011；坎诺内等人，2023）。此外，cryaba−/−;nrf2−/−双突变斑马鱼的心脏病变比单突变体更严重，尤其是在糖皮质激素治疗后，这表明心脏内氧化应激与αB-晶状体蛋白之间存在关联（朴等人，2023）。然而，nrf2−/−突变体的心脏组织中cryabb基因表达水平升高，地塞米松外源性处理也会使其表达上调，这说明斑马鱼中两个cryab基因在基因调控和氧化应激反应中存在差异。因此，还需要进一步研究来明确cryaba和cryabb在斑马鱼心脏，以及如何将这一信息转化到仅拥有一个 Cryab 基因的哺乳动物系统中。

β-晶状体蛋白和γ-晶状体蛋白

鱼类、小鼠和人类之间的β-晶体蛋白和γ-晶体蛋白基因存在较大差异，因此关于它们在晶状体发育及出生后功能的相关信息也较为有限。单细胞转录组分析近期显示，斑马鱼胚胎中，四个cryba1基因（cryba1l1、cryba1l2、cryba1a、cryba1b）、两个cryba2基因（cryba2a、cryba2b）、一个cryba4基因、四个crybb1基因（crybb1、crybb1l1、crybb1l2、crybb1l3）以及一个crybb2基因主要在晶状体纤维细胞和/或晶状体上皮细胞中表达。crybb3基因具有独特性，它在斑马鱼发育过程中不在晶状体中表达，且在咽区和耳区与crybg基因（crybg1a、crybg1b）存在表达重叠。其余crybg基因中，crybg2的表达模式尚未确定，crybgx则主要在晶状体纤维中表达（Farnsworth等人，2021年）。截至目前，尚未建立任何斑马鱼内源性β-或γ-晶体蛋白基因的相关模型。不过，斑马鱼已被用于分析人类CRYBB1启动子，研究发现晶状体特异性表达由起始位点周围150个碱基对的区域驱动，该区域包含MAF转录因子的结合位点（Hou等人，2006年）。

斑马鱼中大多数γ-晶体蛋白属于M组，该组是为水环境演化而来的。单细胞转录组分析显示，crygm基因大多在晶状体纤维细胞中表达，不过也有部分在骨骼肌、胃肠道上皮细胞、肾脏和肝脏中表达（法恩斯沃思等人，2021）。由于对内源性γ-晶体蛋白进行敲除分析可能无法提供与人类疾病相关的有效信息，目前尚未见相关模型的报道。尽管如此，被预测会破坏晶体蛋白稳定性的I4F和V76D CRYGD变异体已在cryaa启动子驱动下在斑马鱼中进行了转基因表达（米什拉等人，2012；吴等人，2016）。携带任一变异体的斑马鱼中，有30%至60%表现出轻微的晶状体异常（晶状小滴），而携带I4F/V76D双转基因的斑马鱼晶状体缺陷的外显率最高（约80%），超过一半的个体出现严重异常（晶状体中心出现不规则突起）。这些晶状体缺陷与同一研究团队发表的cryaa−/−纯合突变体，以及R49C CRYAA和R120G CRYAB转基因斑马鱼的表型相似（米什拉等人，2018；吴等人，2018）。因此，尽管γD-晶体蛋白在斑马鱼中没有同源基因，但这些研究表明，CRYGD基因变异的敲入与斑马鱼和人类α-晶体蛋白基因的变异具有相同的表型。

结论

晶状体蛋白基因的变异约占儿童遗传性白内障病例的三分之一。α晶状体蛋白是特征明确的小分子热休克蛋白，可作为分子伴侣防止蛋白质聚集，而β和γ晶状体蛋白则属于另一超家族，其功能尚未得到明确界定。对先天性白内障患者进行基因检测，已在所有晶状体蛋白基因中发现了大量致病变异体，但它们在晶状体发育过程中的具体功能尚不清楚（Bell 等人，2020；Berry 等人，2020）。斑马鱼研究为α-晶状体蛋白基因在晶状体发育中的作用以及下游靶点和信号通路的确定提供了重要见解。尽管β-和γ-晶状体蛋白的物种差异性大于α-晶状体蛋白，但利用斑马鱼研究致病性晶状体蛋白变异体的影响，仍是进一步理解先天性白内障发病机制的重要手段。

目前的研究正在筛选与人类白内障相关的CRY基因变异体。既往研究表明，斑马鱼可通过晶状体特异性Cre转基因品系以及CRISPR-Cas9基因编辑技术，用于研究这些变异体的致病效应。加深对先天性白内障发病机制的理解，最终可通过分子靶向治疗手段，在产前预防相关分子异常，或在产后对其进行矫正，从而减少儿童视力丧失的情况。