发育与生殖相关的小分子化合物库及相关技术平台的建立.docx

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发育与生殖相关的小分子化合物库及相关技术平台的建立

项目名称：

发育与生殖相关的小分子化合物库及相关技术平台的建立

首席科学家：

谢欣中国科学院上海生命科学研究院

起止年限：

2009.1至2013.8

依托部门：

中国科学院

一、研究内容

拟解决的关键问题：

随着基因转染诱导体细胞重编程为干细胞的成功，干细胞研究进入了一个新的阶段。

然而采用化学生物学的策略，将小分子化合物用于干细胞的自我更新、定向分化以及体细胞重编程等方面的研究却仅在近几年才刚刚起步。

本项目拟围绕小分子化合物调控干细胞这一目标，解决如下科学问题：

1.能否应用小分子化合物维持干细胞全能性、诱导干细胞定向分化及体细胞重编程？

目前只有为数不多的小分子化合物被报道与维持干细胞自我更新或促进定向分化相关，但这些化合物还不足以完全取代培养基中的生长因子，且诱导分化的百分比也不能满足临床应用的需要。

而在体细胞重编程研究中，只有数个小分子化合物被报道可以增强转录因子诱导效率，但完全替代转录因子的研究还未有报道。

能否应用小分子化合物维持干细胞全能性、诱导干细胞定向分化及体细胞重编程是本项目拟解决的一个关键科学问题。

要解决这个问题我们需要建立具有一定结构多样性及靶标针对性的小分子化合物库及灵敏、稳定的活性鉴定和筛选模型。

2.干细胞调控相关的小分子化合物库的建立。

利用筛选模型，通过对化合物库的高通量筛选是获得具有生物活性的小分子化合物的有效途径。

国内也有单位进行类似筛选以获得小分子药物先导化合物。

但目前国内的化合物库容量比较小，而且化合物挑选也是随机进行，因此活性化合物的命中率非常低。

国际上目前已开发出针对一类配体的化合物库，如针对G蛋白偶联受体、核受体、离子通道或激酶的化合物库，但针对干细胞调控的小分子化合物库尚未报道。

因此干细胞调控相关的小分子化合物的挑选及库的建立也是本项目拟解决的一个关键科学问题。

我们将通过生物/化学信息学及计算生物学，建立虚拟筛选平台，挑选可能与干细胞调控关键蛋白或通路有相互作用的小分子化合物或天然产物，用于活性研究；另我们也将建立合成平台，对已有报道的或我们筛选发现的活性化合物进行结构改造和修饰，合成衍生物库，用于活性筛选。

通过化学与生物学的结合建立干细胞调控相关的小分子化合物库。

3.干细胞自我更新、定向分化及体细胞重编程模型的建立。

有了具有一定结构多样性及靶标针对性的小分子化合物库，还必需建立灵敏、稳定的活性鉴定和筛选模型，才能从库中发现具有干细胞调控活性的化合物。

因此干细胞自我更新、定向分化及体细胞重编程模型的建立是本项目拟解决的另一个关键科学问题。

我们拟在已有的人、猴、小鼠胚胎干细胞系培养技术平台基础上，利用形态、标记分子、干细胞多能因子Oct4/Nanog以及细胞的表观遗传修饰状态等方面的变化来综合评价表达来评价干细胞的多能性或分化状态，从而建立活性鉴定模型。

主要研究内容

1.建立生殖和发育相关特别是干细胞研究相关的小分子化合物及天然化合物库，为相关领域的科学家提供研究及活性筛选用的化合物资源：

1）通过文章、专利等检索收集已有报道的、与干细胞诱导、增值及定向分化相关的小分子化合物信息，通过购买或合成收集此类已有报道活性的化合物（70～100个），为科学家提供相关研究的标准化合物；

2）通过对干细胞相关信号转导通路或其中重要蛋白质的计算生物学研究及虚拟筛选，挑选并收集可能具有干细胞调控功能的天然化合物，扩充化合物库，为进一步的活性鉴定实验提供材料；

3）挑选、收集具有结构新颖性及成药性的小分子化合物扩充化合物库，为进一步的活性鉴定实验提供材料；

4）利用网络和电子技术，建立我国干细胞相关化合物资源的中心数据库系统（包括网站、综合数据库和多层多点的操作管理界面）以汇总和共享有关小分子化合物调控干细胞的信息；推广小分子化合物调控干细胞的知识、技术、操作经验等；

5）建立化合物库的管理运行规范、建立合理的化合物资源共享机制。

2.建立稳定的小分子化合物调控干细胞的活性鉴定和筛选平台，研究小分子化合物在干细胞全能性维持、定向分化及体细胞向干细胞重编程方面的功能；

1）建立维持干细胞多能性小分子化合物的筛选平台：

在已有的人、猴、小鼠胚胎干细胞系培养技术平台基础上，按形态、表面分子SSEA和核内因子Oct4/Nanog的表达来评价干细胞的多能性状态，通过小分子化合物对干细胞短期和长期培养的影响，来检测、验证其功能，同时检测它们对干细胞的毒性；

2）建立诱导干细胞定向分化的小分子化合物筛选平台：

在已有的胚胎干细胞系培养和分化技术平台基础上，加入小分子化合物与胚胎干细胞共培养，利用各种细胞的特定分子标记建立定向分化筛选模型，从化合物库中筛选出能促进或阻断定向分化过程的小分子化合物并以之为探针进行蛋白靶标鉴定和分化机制的研究；

3）建立诱导iPS的小分子化合物筛选平台：

我们已利用反转录病毒导入了4个转录因子基因（Oct-4,Sox2,c-Myc和KLF4），成功地进行了人与小鼠体细胞向iPS干细胞的诱导。

在此基础上，我们将通过小分子化合物的共孵育来调节转录因子对iPS的诱导效率，并逐渐利用筛选出的活性化合物替代4种转录因子中的1种到多种，最终实现完全用化合物组合高效诱导形成iPS。

3.建立化学合成平台，针对性地合成可能参与干细胞命运调控的信号通路的小分子调节剂，构建调控干细胞命运的小分子化合物库。

1）利用化学合成平台，对文献报道的可有效维持干细胞自我更新能力、诱导干细胞定向分化以及成体细胞重编程的大约100个小分子化合物开发有效的化学合成方法并完成其化学合成，每个化合物合成200mg，为干细胞命运调控研究提供标准化合物；

2）在对文献报导的或筛选获得的可有效调控干细胞命运的小分子化合物合成的基础上，对它们的进行比较系统的结构多样化改造，初步构建一个约有2500～3000个小分子化合物的小型定向化合物库，为进行可调控干细胞命运的小分子化合物的筛选提供初步的重要物质基础；

3）一些调控细胞生长、增殖等信号转导通路如MAPK、Hedghog、Notch、致死因子（Deathreceptor）/NFB、Akt、Wnt和蛋白激酶/磷酸酶等信号通路在干细胞的自我更新、定向分化中也起着重要的调节作用。

我们将以已有文献报道的且有代表性而尚未商业化的这些信号通路的小分子调节剂为基础，对它们进行有效的化学合成并进行结构多样化改造，构建信号通路导向性小分子化合物库（SignalPathwayOrientedChemicalLibrary,SPOCL。

二、预期目标

总体目标

本项目总体目标是联合国内干细胞研究、天然产物化学及有机合成的主要力量，优势集成，技术互补，建立能满足发育与生殖领域基础与应用研究需求，特别是干细胞重编程、全能性维持及定向分化研究相关的小分子化合物与天然产物库，以及相应的合成平台、活性鉴定与筛选平台；并通过对小分子化合物在干细胞信号通路中的活性鉴定和筛选，寻找可以维持干细胞全能性、定向诱导干细胞分化或诱导体细胞向干细胞重编程的化合物组合。

通过本项目的实施，我们将整合国内现有的主要干细胞研究、药物化学、天然产物化学及计算化学的力量，在项目实施的5年内，分阶段地建立起全国共享的发育与生殖及干细胞研究相关的化合物库及活性鉴定和筛选平台，建立和完善化合物库的管理运行规范和资源共享机制，向国内相关研究同行提供干细胞研究相关的小分子化合物、信息（数据库和网站）和技术的支撑等；同时，培养一批高水平研究人才，推动我国在小分子调控发育与生殖以及诱导干细胞领域的发展。

五年预期目标：

1.小分子化合物库的建立：

建成总量为25000～30000个化合物的小分子化合物库用于发育与生殖领域特别是干细胞调控方面的研究，建立化合物库的管理运行规范、建立合理的化合物资源共享机制。

库中主要包括5类化合物：

a）第一类是已有报道的与干细胞调控通路相关的活性化合物，大约70～100个，将作为干细胞研究的标准化合物；

b）第二类是天然小分子化合物单体（～3000个）；

c）第三类是经标准程序提取的中草药组分（～2000个）；

d）第四类是具有新颖结构的合成小分子化合物（～20000个）；

e）第五类是已有报道的活性化合物和通过我们筛选获得的活性化合物的衍生物（～3000个）。

2.干细胞调控相关蛋白或信号通路的虚拟筛选平台的建立：

根据与干细胞多能性维持、定向分化及体细胞重编程相关的蛋白、信号通路及调控网络，建立干细胞形成和分化相关的蛋白质结构数据库SCRPD（StemCellRelatedProteinDatabase），建立和完善天然产物数据库CNPD（ChineseNaturalProductDatabase）。

应用化学信息技术、生物信息技术和计算机虚拟筛选方法，针对SCRPD中的所有蛋白质结构，搜寻CNPD数据库，获得具有调控干细胞形成或分化的天然产物信息。

根据上述计算结果，收集天然产物样品，并为活性化合物的结构改造提供依据。

3.干细胞调控相关的小分子活性检测平台的建立：

建立干细胞自我更新、定向分化及体细胞重编程三个活性筛选平台，建立9-12种可用于高通量筛选的干细胞或分化细胞株，三个筛选平台中每个平台拥有3-4种稳定细胞株。

通过上述平台筛选并验证能影响这些过程的小分子化合物，筛选出10-15个能有效影响干细胞多能性与自我更新的小分子化合物，10-15个能有诱导或阻断细胞定向分化的化合物，8-10个能促进或抑制iPS效率的小分子化合物，8-10个能激活iPS关键基因或其下游基因的小分子化合物，3-5个能部分或完全替代iPS中4个转录因子的小分化合物。

并以筛选到的小分子化合物为探针找出3～5个与干细胞多能性和细胞定向分化相关的靶标蛋白，并进行深入的研究干细胞自我更新、定向分化和重编程的分子机理，争取实现化学方法诱导iPS。

4.活性小分子有机合成及结构改造平台的建立：

对文献报道的可有效维持干细胞自我更新能力、诱导干细胞定向分化以及成体细胞重编程的大约70～100个小分子化合物开发有效的化学合成方法并完成其化学合成，为干细胞命运调控研究提供标准化合物；另通过对上述活性化合物的结构优化改造，构建一个约有2500～3000个化合物的小型定向化合物库，为进行可调控干细胞命运的小分子化合物的筛选提供初步的重要物质基础；另针对性参与干细胞命运调控的信号通路，合成其中有代表性而尚未商业化的小分子调节剂并进行结构多样性改造，构建信号通路导向性小分子化合物库（SignalPathwayOrientedChemicalLibrary,SPOCL）。

5.干细胞相关化合物资源中心数据库的建立：

利用网络和电子技术，建立我国干细胞相关化合物资源的中心数据库系统（包括网站、综合数据库和多层多点的操作管理界面）以汇总和共享有关小分子化合物调控干细胞的信息；推广小分子化合物调控干细胞的知识、技术、操作经验等。

6.技术服务和支持：

保障发育与生殖研究的国家重大科学研究计划顺利完成；向全国相关同行提供用于干细胞研究的小分子化合物、信息和技术支撑；在服务方式上采取多样化模式以满足不同研究机构和科学家的需要，如：

单纯提供标准化合物、提供用于活性筛选的化合物、提供小分子化合物对干细胞调控作用的活性筛选服务、对用户的研究方案提供咨询或根据研究需要提供技术方案、受用户委托完成新技术的开发等等。

7.预期在小分子化合物建库及活性筛选的过程中将有20-30篇研究论文发表在有一定影响的国际期刊上。

8.在干细胞相关研究领域培养高水平的科研队伍，包括：

博士后（>5人）、博士研究生（20-30人）、硕士研究生（20-30人）、技术员约10人。

三、研究方案

学术思路：

干细胞已成为发育与生殖领域研究的重点，其根本原因是干细胞和干细胞技术为人类战胜难治疾病、健康长寿地生活带来了巨大的希望。

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