人类SOX9基因非同义单核苷酸多态性的计算机功能、结构与致病性评估及其在癌症发生中的分子机制研究

《Scientific Reports》：In silico functional, structural, and pathogenicity assessment of single nucleotide polymorphisms in the human SOX9 gene

本研究针对SOX9基因非同义单核苷酸多态性(nsSNPs)如何影响蛋白质结构与功能这一关键科学问题，通过整合多种生物信息学工具和分子动力学模拟，系统鉴定出D85H等4个高致病性错义突变，发现这些位于DNA结合结构域PF00505的突变会破坏SOX9结构稳定性并影响Wnt/β-catenin信号通路，为SOX9相关疾病的精准医疗提供了新靶点。

　　

在人类基因组中，单核苷酸多态性(SNPs)作为最常见的遗传变异类型，已成为疾病易感性和药物反应个体差异的重要生物标志物。其中，错义SNPs通过改变蛋白质氨基酸序列，可能引发蛋白质结构紊乱、功能失常，进而导致多种疾病的发生发展。转录因子SOX9作为SRY相关HMG盒基因家族的核心成员，不仅参与软骨形成、性别决定等关键发育过程，更在乳腺癌、胰腺癌、肝癌等多种恶性肿瘤中发挥双重调控作用。然而，目前对SOX9基因自然发生的错义SNPs如何通过结构扰动影响其生物学功能，进而参与疾病特别是癌症发生的分子机制，仍缺乏系统认知。

为解决这一科学问题，来自杰索尔科技大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。研究人员采用多层次计算生物学方法，从5029个SOX9基因SNPs中筛选出1158个错义突变，通过SIFT、PolyPhen-2等六种致病性预测工具的综合分析，结合保守性评估和蛋白质稳定性预测，最终鉴定出D85H、A158T、K173E和D441N四个位于关键功能域的高危突变。尤为重要的是，研究团队利用100纳秒分子动力学模拟，首次揭示了D85H突变通过增加氢键数量(142-318个)和回转半径(28.67±4.01 ?)导致蛋白质构象动态平衡破坏的分子机制。

关键技术方法包括：基于NCBI dbSNP数据库的SNPs筛选；SIFT、PolyPhen-2等六种致病性预测工具的综合评估；Phyre2同源建模和Ramachandran图结构验证；I-Mutant2.0和MUpro蛋白质稳定性分析；Desmond软件100纳秒分子动力学模拟；PCA、DCCM和FEL等动态轨迹分析；GeneMANIA和STRING互作网络构建。

蛋白质序列和错义SNPs获取

从NCBI数据库获取的人类SOX9基因共包含5029个SNPs，其中错义SNPs占23.03%(1158个)，为后续功能分析提供了基础数据集。

SIFT有害错义SNPs预测

SIFT分析从1158个错义SNPs中鉴定出9个有害突变，包括A76E、D85H等，这些突变的SIFT评分均≤0.05，提示可能严重影响蛋白质功能。

PolyPhen-2损伤性错义SNPs预测

PolyPhen-2的HumDiv和HumVar模型分别预测出9个和7个可能损伤性突变，其中7个突变在两个数据集中重叠，包括D85H、A158T等关键位点。

SNAP功能效应预测

SNAP分析显示5个突变(A76E、D85H、A158T、K173E、D441N)具有显著功能影响，其中D85H在HMG盒DNA结合结构域(PF00505)的定位提示其可能直接干扰DNA结合活性。

疾病关联预测

PhD-SNP和SNPs&GO分析共同确认D85H、A158T、K173E和D441N四个突变具有疾病关联性，这些突变在后续分析中被确定为高影响突变集。

保守性分析

ConSurf分析显示D85H、A158T和K173E具有最高保守性评分(9分)，且位于蛋白质功能暴露区域，进一步支持其功能重要性。

稳定性预测

I-Mutant2.0和MUpro一致性预测所有四个高影响突变均降低蛋白质稳定性(△△G<0 kcal/mol)，其中D85H和D441N的 destabilizing 效应最为显著。

三维结构建模

Phyre2同源建模显示野生型和突变体结构均保持29%α-螺旋和18%β-折叠的相似二级结构组成，Ramachandran图验证了模型合理性(86%残基位于允许区域)。

MutPred2致病性预测

MutPred2将D85H判定为高致病性突变(评分0.866)，预测该突变导致D85位点蛋白酶切功能丧失(p=0.04)，可能影响蛋白质激活过程。

分子动力学模拟

100纳秒MD模拟显示D85H突变体较野生型具有更高的RMSF波动(7.38±3.95 ?对9.32±3.80 ?)和更低的回转半径(28.67±4.01 ?对33.76±2.99 ?)，表明突变引起结构刚性增加和动态特性改变。

PCA、DCCM和FEL分析

主成分分析显示D85H突变体的PC1贡献度(55.16%)显著高于野生型(41.83%)，表明突变增强了蛋白质集体运动；DCCM相关性系数降低(野生型r=+0.62对突变体r=+0.38)提示协调运动减弱；FEL能垒变化表明突变体构象空间收窄。

基因-基因和蛋白质-蛋白质互作网络

GeneMANIA和STRING分析共同识别出SOX9与RUNX2、COL2A1、CTNNB1等20个基因存在功能关联，这些基因主要参与Wnt/β-catenin信号通路和软骨分化过程，为解释SOX9突变致病机制提供了网络视角。

本研究通过整合计算生物学和结构生物学方法，系统揭示了SOX9基因错义SNPs的致病机制。特别是D85H突变通过破坏HMG盒DNA结合结构域的稳定性，影响SOX9转录调控功能，进而可能干扰Wnt/β-catenin信号通路活性。这些发现不仅为理解SOX9相关疾病的分子基础提供了新见解，更重要的是为未来开发针对特定SOX9突变个体的精准治疗策略奠定了理论基础。研究人员建议后续通过CRISPR-Cas9基因编辑、蛋白质组学等技术验证这些计算预测结果，推动SOX9突变在癌症精准医疗中的转化应用。