PTPRQ基因的內(nèi)耳功能及突變致聾機制的研究進展

周雅琪梅雪霜楊煒強鄒松峰胡洪義*

1深圳北京大學(xué)香港科技大學(xué)醫(yī)學(xué)中心 北京大學(xué)深圳醫(yī)院，耳鼻咽喉科（深圳市 518036）

2北京大學(xué)深圳醫(yī)院 耳鼻咽喉科（深圳市 518036）

受體型蛋白酪氨酸磷酸酶Q(Receptor type protein tyrosine phosphatase Q,PTPRQ)是III型受體型蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs）家族成員之一，參與細胞內(nèi)的分化和遷移等功能，而其功能的缺失與許多疾病的發(fā)生密切相關(guān)。近年的研究發(fā)現(xiàn)PTPRQ基因的突變與常染色體隱性非綜合征性耳聾DFNB84A型和常染色體顯性非綜合征性耳聾DFNA73型的發(fā)生密切相關(guān)，但導(dǎo)致不同耳聾表型的機制尚不明確。本文希望通過綜述近年來PTPRQ基因?qū)е聝?nèi)耳的疾病和功能方面的國內(nèi)外研究，來深入探討作為一個遺傳性耳聾相關(guān)基因，PTPRQ在耳聾發(fā)生發(fā)展過程中的作用，同時通過對該基因的研究，使人們更進一步的理解內(nèi)耳發(fā)育和功能缺失相關(guān)疾病的分子機制。

1 PTPRQ基因及其蛋白產(chǎn)物

1.1 PTPRQ基因的定位及表達情況

PTPRQ基因最初是研究者在大鼠系膜增生性腎小球腎炎模型中發(fā)現(xiàn)的，其編碼的產(chǎn)物為一種蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs）[1,2]。人類的PTPRQ基因位于12號染色體，12q21.2，通過可變剪切，PTPRQ能產(chǎn)生多個不同的轉(zhuǎn)錄本。最主要的轉(zhuǎn)錄本(PTPRQ-210)能表達完整的PTPRQ蛋白，它包含有45個外顯子，能編碼由2299個氨基酸組成的分子量為255kD的跨膜蛋白（圖1）,主要位于人腎臟的足突細胞、肺以及內(nèi)耳中。其次PTPRQ能產(chǎn)生一個較短的轉(zhuǎn)錄本，編碼只含有酶結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)蛋白，主要存在于大鼠的腎小球細胞和人類的睪丸組織中[3]。

PTPRQ的mRNA在胎兒的腎臟，耳蝸，成人的心臟，胎兒和成人的肺部高表達[4]。在小鼠的內(nèi)耳中，PTPRQ蛋白以完整的形式表達于前庭和耳蝸毛細胞纖毛束的膜上，參與毛細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等功能[5,6]。早在2003年Goodyear等人的研究就揭示了PTPRQ蛋白在小鼠毛細胞纖毛中的表達情況。在胚胎13.5（E13.5）天的時候，PTPRQ開始在前庭毛細胞中表達，與毛細胞出現(xiàn)分化的時間相一致。在耳蝸中，PTPRQ最早于E17.5天時開始出現(xiàn)于耳蝸最底圈的內(nèi)毛細胞中，其出現(xiàn)的時間明顯晚于毛細胞開始分化（E15.5）的時間。1天以后（E18.5）蝸底的外毛細胞開始表達微弱的PTPRQ。小鼠出生后2天（P2）耳蝸頂圈的內(nèi)外毛細胞亦能檢測到PTPRQ的表達。PTPRQ在耳蝸底圈外毛細胞中表現(xiàn)出一過性的表達特性。在小鼠出生后15天（P15）時，耳蝸底圈外毛細胞中的PTPRQ表達量開始減弱，P21時完全消失，而頂圈的外毛細胞，所有的內(nèi)毛細胞及前庭毛細胞，在小鼠出生后6個月內(nèi)都能持續(xù)性檢測到PTPRQ的表達[5]。PTPRQ在小鼠耳蝸底圈和頂圈毛細胞的差異性表達是否與部分人類突變病例的高頻漸進性耳聾相關(guān)是個值得關(guān)注的研究問題。

1.2 PTPRQ蛋白的結(jié)構(gòu)

完整的PTPRQ蛋白是由18個III型纖維連接蛋白（FNIII）樣重復(fù)序列組成的胞外結(jié)構(gòu)域，跨膜結(jié)構(gòu)域（TM）以及胞內(nèi)的酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成（圖1），這也是PTPRQ蛋白在內(nèi)耳中的主要存在形式[1]。不同的PTPRQ轉(zhuǎn)錄本通過可變剪切還可能編碼出含有細微數(shù)量差別的FNIII結(jié)構(gòu)域（包含15、17、18或19個重復(fù)FNIII結(jié)構(gòu)域）[4]。Yu等人解開了PTPRQ酶結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)，因其催化核心序列形成較家族中其他蛋白不同的催化口袋，PTPRQ表現(xiàn)出了較強的磷脂酰肌醇(PI)催化活性，能夠去磷酸化多種磷脂酰肌醇磷酸鹽來催化他們的水解[7,8]。PTPRQ蛋白具有磷脂酰肌醇磷酸酶（PIPs）及PTPs的雙重磷酸酶活性，因此在不同的條件下可以催化不同的底物來調(diào)控相關(guān)的信號通路，參與細胞的分化和遷移等功能[8]。

1.3 PTPRQ在內(nèi)耳的功能

內(nèi)耳前庭毛細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)需要磷脂酸肌醇4，5二磷酸(PIP2)的參與。Hirono等人在蛙的前庭毛細胞中研究發(fā)現(xiàn)，前庭毛細胞中PIP2的分布比較特殊，其均勻分布于毛細胞外側(cè)邊的膜上，以及纖毛束頂端，但是在毛細胞頂膜部及纖毛的基底部幾乎沒有分布，而這個缺失的位置恰好與PTPRQ的分布重合，因PTPRQ能催化水解PIP2，提示PTPRQ與在纖毛基底部維持低含量的PIP2有關(guān),因此推測PIP2在纖毛基底部的聚集可能會影響某些正常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[6,8,9]。

在小鼠的內(nèi)耳中，包含完整跨膜結(jié)構(gòu)域和酶結(jié)構(gòu)域的PTPRQ蛋白為其表達和行使功能的主要類型[5]。PTPRQ蛋白主要表達于內(nèi)耳毛細胞纖毛的基底連接處[5,10]。在PTPRQ蛋白TM結(jié)構(gòu)域和酶結(jié)構(gòu)域敲除的小鼠模型中，出生后1天（P1），小鼠耳蝸毛細胞纖毛束形態(tài)與正常纖毛相比開始出現(xiàn)不同程度的不規(guī)則排列，出生后8天(P8)，纖毛的異常更為明顯，且同時累及內(nèi)毛細胞和外毛細胞。內(nèi)毛細胞的纖毛出現(xiàn)缺失和融合，而外毛細胞的纖毛也會丟失或明顯變短。提示PTPRQ的功能是耳蝸基底部毛細胞纖毛束的成熟所必須的[5]。成熟小鼠耳蝸的基底部會表現(xiàn)出毛細胞完全退化，甚至整個Corti器消失。純合突變小鼠對20kHz刺激的普耐爾反射（Preyer reflex）測試無反應(yīng)，高頻聽力出現(xiàn)明顯障礙。因此PTPRQ與纖毛成熟，耳蝸毛細胞長期存活及高頻聽力有關(guān)[5]。在對Ptprq-TM結(jié)構(gòu)域敲除的雜合和純合小鼠（P5-P7）耳蝸頂圈和底圈外毛細胞進行電生理檢測中，純合小鼠與雜合小鼠相比，纖毛的電流振幅變小，但并無明顯的波形變化，這種差別很可能是纖毛的缺失造成的，而在興奮性刺激及抑制性刺激的快慢適應(yīng)等其他的檢測中幾乎無明顯的差異，這提示PTPRQ并不是外毛細胞機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需的[5]。

對突變小鼠前庭器毛細胞的觀察發(fā)現(xiàn)，出生5天（P5）到16天（P16）的小鼠，橢圓囊部的前庭毛細胞纖毛束明顯變長，同時伴有纖毛的融合和丟失，纖毛異常會持續(xù)到小鼠出生后12個月，但并沒有明顯的毛細胞丟失。球囊和壺腹部的纖毛也有同樣的表現(xiàn)[11]。出生21天（P21）的純合敲除小鼠前庭毛細胞纖毛的軸連接會完全消失，纖毛排列也會改變，出現(xiàn)融合[5]。多數(shù)純合敲除小鼠出生3月時，前庭誘發(fā)電位不能引出，少數(shù)小鼠需要極高的刺激水平才能引出。這些都提示了PTPRQ參與了小鼠的前庭功能[11]。

PTPRQ與馬達蛋白Myosin VI共定位于纖毛基底部，在Myosin VI基因失活的小鼠中，PTPRQ的分布分散于整個纖毛中，失去了原有的定位[10]。體外實驗也證明PTPRQ能與Myosin VI相互作用，這都提示了Myosin VI可能參與引導(dǎo)PTPRQ遷移并定位于纖毛基底部，且研究者進一步證實PTPRQ與Myosin VI形成的復(fù)合物在形成細胞表層結(jié)構(gòu)和維持纖毛束形態(tài)中具有重要作用[10]。

2 PTPRQ基因突變及臨床表型

近年來隨著耳聾基因測序研究的開展，報道了許多PTPRQ基因突變致聾的案例。在耳聾相關(guān)的家系研究中，PTPRQ被證實同時與常染色體隱性非綜合征性耳聾DFNB84A型和常染色體顯性非綜合征性耳聾DFNA73型的發(fā)生有關(guān)，提示我們PTPRQ在內(nèi)耳中具有重要的功能。

2.1 PTPRQ基因突變與DFNB84A型耳聾

目前已報道的與PTPRQ突變相關(guān)的DFNB84A型耳聾家系研究共有9個，包含來自7個不同國家的12個不同的家系（詳見表1）。在所有的家系中，DFNB84A型耳聾患者均表現(xiàn)為雙側(cè)語前聾，程度由中度到極重度不等，幾乎所有患者的聽力下降均累及所有頻率，聽力曲線表現(xiàn)為平坦型或下降型。部分患者伴有前庭功能障礙。

Schraders等在一個荷蘭家系和一個摩洛哥家系中發(fā)現(xiàn)了相近位點的兩個PTPRQ基因的突變c.1369A＞G和c.1491T＞A，這兩個家系有相似的臨床表現(xiàn)，即雙側(cè)對稱性的先天性感音神經(jīng)性耳聾，但是荷蘭家系的患者在各個頻率均表現(xiàn)出了極重度的（90-95dB）的聽力下降，而摩洛哥家系則是中度（40-60dB）的聽力下降，兩個家系成員在幼年時即表現(xiàn)了出前庭功能的損傷。荷蘭家系的突變位點為無義截短突變，相較于摩洛哥家系的錯義突變，顯然對PTPRQ的功能影響更大，耳聾程度更嚴重[4]。

Shahin等報道了一個巴勒斯坦的耳聾家系，為PTPRQ的純合突變，患者表現(xiàn)為雙側(cè)全頻率的中度到重度語前聾，其突變位點為c.1285C＞T，為截短突變[12]。

Talebi等報道了一個伊朗的耳聾家系，家系中僅先證者發(fā)病，患者出生21個月時即開始出現(xiàn)聽力下降，基因檢測發(fā)現(xiàn)了兩個可能致病的基因突變位點，一個為純合的PTPRQ突變，c.2599T＞C.另外一個為雜合的MYO1A基因突變[13]。

在一個大型的阿爾及利亞人群的家系研究中，研究者通過全外顯子測序發(fā)現(xiàn)了其中一個家系的致聾基因突變?yōu)镻TPRQ純合突變c.6080dup,該家系的耳聾患者表現(xiàn)出雙側(cè)極重度聾但是并沒有前庭功能障礙[14]。

在日本的大型耳聾人群基因測序研究中，研究者報道了三例PTPRQ相關(guān)的突變，并對他們的家系進行了追蹤。第一例患者3歲開始發(fā)病，為雙側(cè)中度全頻率聽力下降，之后進展性變化，出現(xiàn)高頻的極重度耳聾。其突變位點為c.1261C＞T的純合突變。第二例患者為幼年時確診的雙側(cè)非進展性的極重度感音神經(jīng)性耳聾，全頻率累及。其致病因素為PTPRQ的復(fù)合型雜合突變c.166C＞G和c.1261C＞T,父親為其中一個突變攜帶者。第三例患者初診時為7歲，表現(xiàn)為非進展性的中-重度的雙側(cè)感音神經(jīng)性耳聾，PTPRQ突變?yōu)閏.6453+3delA和4640T＞C。其異卵雙胞胎姐妹有同樣的基因型和表型，其父母分別為其中一個突變的攜帶者[15]。

在已經(jīng)報道的中國的耳聾家系中，與PTPRQ相關(guān)的有4個。其中有一個為哈薩克族家系，該家系患者均表現(xiàn)出雙側(cè)感音神經(jīng)性語前聾，通過全外顯子測序，發(fā)現(xiàn)了PTPRQ基因兩個復(fù)合雜合突變位點c.16_17insT和c.2714delA，而且兩個位點總是共同復(fù)合雜合出現(xiàn)于所有患者中,單雜合突變攜帶者家屬并不表現(xiàn)出耳聾[16]。在另外一個中國耳聾家系中，研究者同樣發(fā)現(xiàn)了兩個PTPRQ的復(fù)合雜合錯義突變（c.3125 A＞G 和c.5981 A＞G)，患者表現(xiàn)出雙側(cè)全頻率的中重度耳聾[17]。Wu等人還報道了另外一個存在有PTPRQ復(fù)合突變的家系，患者出生時即發(fā)病，為雙側(cè)極重度感音神經(jīng)性聾。突變位點為c.4472C＞T和c.1973T＞C兩個錯義突變，患者的父母及妹妹為單一突變位點的攜帶者且未發(fā)病[18]。在33個中國家系的大型全外顯子測序研究中，研究者發(fā)現(xiàn)其中一個家系的耳聾也與PTPRQ的突變有關(guān)，其位點為c.552delC的缺失突變[19]。

2.2 PTPRQ基因突變與DFNA73型耳聾

近年有研究報道了PTPRQ的突變是造成DFNA73型常染色體顯性非綜合征性耳聾的致病因素。目前已報道的與PTPRQ相關(guān)的DFNA73型耳聾家系研究共有2個，均報道了同一個位點的顯性突變（詳見表1）。Eisenberger等人報道了世界上第一個PTPRQ基因突變造成的常染色體顯性耳聾DFNA73家系，是一個來源于德國的包含有4代人的家系，先證者是在幼年時（2歲半）因言語發(fā)育遲緩檢出聽力下降，為雙側(cè)言語頻率的輕度及高頻的中重度感音神經(jīng)性耳聾。家族中有其他人也檢測出有不同程度的雙側(cè)感音神經(jīng)性耳聾，發(fā)病年齡也從兒童期到30歲左右不等。通過對四代人的全外顯子測序研究發(fā)現(xiàn)耳聾患者均攜帶有PTPRQ的雜合無義突變c.6881G＞A[20]。之后Ozieblo等人報道了在一個有五代人的波蘭家系中也檢測到了PTPRQ同樣位點的突變。該家系的患者出現(xiàn)雙側(cè)漸進性的感音神經(jīng)性耳聾，高頻聽力下降為主，發(fā)病年齡在4歲到27歲不等，患者并沒有前庭功能損傷的癥狀[21]。鑒于兩個家系都位于歐洲大陸，考慮該突變可能來源于同一個祖先。

表1 已報道的耳聾相關(guān)PTPRQ基因突變Table 1 Reported hearing loss related PTPRQ mutations

3 PTPRQ突變致聾機制探討

PTPRQ突變能造成兩種不同類型的耳聾，患者出現(xiàn)的臨床表現(xiàn)也各不相同，這提示不同位置的突變對PTPRQ的功能產(chǎn)生了不同的影響。

PTPRQ隱性純合突變致DFNB84A型耳聾的臨床表現(xiàn)通常發(fā)生在幼兒期，語前聾為主，提示隱性純合突變可能導(dǎo)致了PTPRQ蛋白完全的功能缺失。部分隱性的突變位點為位于N端FNIII結(jié)構(gòu)域內(nèi)的無義、缺失或插入突變，這些突變多造成了PTPRQ蛋白被截短，從而導(dǎo)致其整體功能的缺失[4,12,15,16]。還有部分突變位于PTPRQ酶結(jié)構(gòu)域，可能因截短酶結(jié)構(gòu)域或單位點突變改變蛋白的結(jié)構(gòu)影響其催化功能[14]。這都可能是造成PTPRQ在內(nèi)耳功能缺失及出現(xiàn)重度及極重度耳聾的原因。部分患者為FNIII結(jié)構(gòu)域的錯義突變，患者出現(xiàn)的聽力下降癥狀較無義突變輕，通過蛋白晶體結(jié)構(gòu)的分析，研究者發(fā)現(xiàn)單個氨基酸的改變可能改變了FNIII的結(jié)構(gòu)域氨基酸側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)，進而部分影響其功能[17,18]。

PTPRQ蛋白參與前庭毛細胞纖毛PIP2的催化和保持纖毛束基底部低PIP2的環(huán)境，其酶功能缺失可能導(dǎo)致PIP2在纖毛基底部累積，增加了PIP2在纖毛基底部與毛細胞頂膜的交換，這可能會抑制正常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和傳遞[6,9]。但在耳蝸毛細胞中有無相同的改變，還需要進一步的研究。同時PTPRQ蛋白結(jié)構(gòu)的變化或缺失也會影響其與Myosin VI蛋白的相互作用，這也可能是PTPRQ缺失造成纖毛的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因之一[10]。但研究者并沒有深入研究突變后的截短蛋白是否存在于毛細胞內(nèi)，是否會因截短蛋白的存在改變或影響其他的生理功能而出現(xiàn)耳聾。

隱性突變患者的臨床表現(xiàn)主要為均勻的全頻率聽力下降為主，少數(shù)高頻聽力下降更嚴重，這與小鼠基因敲除模型僅影響小鼠高頻聽力不全符合，這也提示我們?nèi)梭wPTPRQ突變致聾的機制較小鼠模型更為復(fù)雜[5]。

PTPRQ突變造成的雜合顯性耳聾DFNA73型的臨床表現(xiàn)較DFNB84A型相對輕，患者發(fā)病年齡從幼年到中年不等，出現(xiàn)漸進性的聽力下降，且純音測聽結(jié)果表現(xiàn)出明顯的高頻下降為主[20]。提示該顯性突變只是部分影響了PTPRQ蛋白的功能。在從患者來源的成纖維細胞系中，研究者看到了該突變轉(zhuǎn)錄本的存在，提示該突變逃逸了無義突變介導(dǎo)的mRNA降解（NMD），因此能編碼截短的蛋白[20]。顯性突變致聾的原因可能是突變干擾了等位野生型的位點而影響了正常蛋白的表達出現(xiàn)顯性負效應(yīng)。也可能是突變造成了PTPRQ蛋白最后6個氨基酸的缺失，蛋白結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了PTPRQ胞內(nèi)段酶結(jié)構(gòu)域的酶催化效率下降或與靶蛋白的結(jié)合效率變差而出現(xiàn)了功能的改變[22]，但這都需要進一步的通過構(gòu)建動物模型來進一步深入的研究。

在家系研究中，有部分患者出現(xiàn)了前庭功能的障礙，如荷蘭及摩洛哥家系的患者，但并不是所有的家系均報道了前庭功能障礙，這也與小鼠的模型表現(xiàn)相似，即并非所有純合Ptprq敲除小鼠均表現(xiàn)出前庭功能障礙[11]，提示我們在人體，PTPRQ突變對前庭功能的影響可能受到不同因素的調(diào)控，其功能的缺失可能從其他途徑得到代償，或者發(fā)病時間較聽力障礙出現(xiàn)晚，出現(xiàn)前庭功能障礙的患者可能受到了其他的誘因，而PTPRQ突變的位置對其功能的影響必然也不同，但這都需要進一步的機制研究來闡明。

4 小結(jié)與展望

PTPRQ突變相關(guān)的耳聾臨床表現(xiàn)多樣，也累及不同國家地區(qū)的人群，這均提示我們PTPRQ是一個重要的耳聾基因。未來希望研究者能進一步利用動物模型闡明其生理功能，并尋找出其出現(xiàn)顯隱性致聾差異的病理生理機制。除外Myosin VI以外，是否還有其他蛋白共同協(xié)助PTPRQ來參與纖毛的功能及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，分析它們?nèi)绾蜗嗷プ饔茫瑫r若能進一步尋找出其調(diào)控的下游信號分子，對于深入理解耳蝸及前庭毛細胞的功能，并尋找個性化的治療方法提供理論依據(jù)。另外因PTPRQ在人體腎臟，心臟及肺中也有高表達，其不同的突變類型是否會造成其他器官的損害，也是值得探討的內(nèi)容。