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成纤维细胞生长因子9(FGF9)作为FGF家族成员,在人类遗传病、器官发育、组织形成中具有重要调控作用。但其在骨骼系统中的作用,特别是在关节、牙齿发育及骨骼代谢中的作用和机制尚不明确。人类多发性骨性粘连综合症(SYNS)是一种常染色体显性遗传病,常表现为近端指间关节、腕骨/跗骨关节、肱桡关节和脊椎关节融合症状。FGF9基因99位丝氨酸发生天冬酰胺突变(p.S99N)被鉴定为SYNS3的致病原因。为了进一步研究FGF9基因在SYNS3疾病中的作用,我们通过建立Fgf9基因S99N突变小鼠模型,模拟人类SYNS3疾病表型。我们证实Fgf9可通过抑制间质细胞中Sox6和Sox9的表达,抑制其向软骨细胞分化,同时上调关节发育重要控制基因Gdf5,调控Interzone的形成。S99N突变失去该功能,造成突变小鼠在关节发育早期中间层间质细胞向软骨细胞发生过度分化,从而导致关节融合。为了进一步理解功能缺失的分子机制,利用体外亲和力实验和计算机蛋白模拟,揭示了S99N突变改变FGF9蛋白的构象,使得FGFR和肝素结合位点发生重叠,导致肝素和FGFR竞争性地与FGF9蛋白结合,同时增强与肝素的亲和力,共同造成FGF9蛋白与受体结合减弱,导致发育关节中FGF9信号转导下降,最终形成关节融合。在此过程中,意外发现Fgf9基因在骨代谢中发挥重要作用。突变小鼠骨密度增加,骨骼中成骨细胞数量增加,功能增强,同时破骨细胞数量减少。体外诱导分化实验证实S99N突变显著提高骨髓间质细胞向成骨细胞分化和矿化能力,抑制单核细胞向破骨细胞诱导分化和成熟。同时在体外成骨细胞系中发现Fgf9能够通过MAPK和PI3K/AKT信号通路下调成骨相关基因表达,抑制成骨作用。此外,我们还发现Fgf9基因具有调控牙齿发育的功能。突变小鼠出现牙齿生长偏向,牙釉质发育不良,成釉上皮细胞排列紊乱、数量显著减少,同时牙釉质形成相关的基因显著下调。进一步分析发现FGF信号在纯和小鼠牙齿中显著下降,但不影响成釉上皮细胞的增殖、凋亡,却显著影响成釉细胞分化调控基因Shh,说明Fgf9可能通过调控成釉细胞分化成熟来影响牙釉质的生成。