提高iPS细胞诱导效率的螺环骨架小分子化合物的设计合成、构效关系及作用机制研究

Stem cell technology holds great promises for the treatment of devastating diseases, injuries, aging, and even cancers as it is applied in regenerative medicine. Recent breakthroughs in the development of induced pluripotent stem cell (iPSC) techniques and efficient differentiation strategies have explored the therapeutic potential of stem cells. A major challenge of the practical application of iPSCs is the low efficiency and slow process of reprogramming. To identify small molecules that enhance reprogramming efficiency, we performed a cell phenotype-based four-factor-induced screening of chemical libraries. One of the compounds, termed CYT324T with a spiro skeleton, was found to enhance the reprogramming efficiency and accelerated the reprogramming process in low micromolar concentrations. Preliminary structural modification and structure-activity relationship (SAR) studies based on hit CYT324T has been carried out. And among the spiro-compound libraries synthesized, we have obtained several analogues with improved activity (submicromolar optimal concentrations) compared to the hit. This grant application aims to identify a novel class of small molecules with spiro skeleton that induce high somatic reprogramming efficiency via further structural modification and structure-activity relationship studies based on our previous work. And based on the effective compounds and SAR, activity-based probes will be designed and synthesized to help elucidate the molecular targets of these small molecules and understand the mechanisms of iPSCs generation.

近年来诱导多能干细胞（iPSC）技术的突破性进展拓展了iPS细胞在再生医学、疾病模型建立和新药研究等领域的应用潜能。然而，要将iPSC技术投入实际应用还存在着重编程效率低和慢动力学等问题。通过基于细胞表型的筛选，我们发现了可在1uM浓度下促进四因子诱导MEF细胞重编程产生iPS细胞的阳性化合物CYT324T，并以此为起点进行初步的结构改造和构效关系研究，设计合成了一类可有效促进iPS细胞产生的全新螺环骨架化合物，其中化合物CYT296可在250 nM浓度下以16.26%的诱导效率促进iPS细胞产生，但其作用靶点尚不明确。本项目拟在前期工作基础上对该骨架进行深入的结构改造和构效关系研究以进一步提高该类化合物的iPS细胞诱导活性，并在此基础上设计合成活性导向的探针分子对细胞内的靶蛋白进行标记，富集纯化探针-蛋白复合物并进行蛋白质质谱分析，以揭示该类化合物促进iPS细胞产生的分子靶点和作用机制。

近年来诱导多能干细胞（iPSC）技术的突破性进展拓展了iPS细胞在再生医学、疾病模型建立和新药研究等领域的应用潜能。通过化学小分子诱导iPS细胞产生可改善传统iPSC技术存在的重编程效率低和慢动力学等问题，从而推动iPSC技术投入实际应用。.本项目利用四因子筛选体系发现了可提高iPS细胞诱导效率的阳性化合物90-D3，通过对该阳性化合物进行结构改造和构效关系研究，发现了一类可有效促进体细胞重编程和iPS细胞产生的新型螺环骨架化合物。其中以化合物CYT296为代表，该化合物具有更高的诱导效率，并可在减因子条件下联合其他小分子化合物显著提高iPS细胞诱导效率，所产生的iPS克隆具有完全的全能性。同时在对该化合物的作用机制研究中我们发现CYT296可降低HP1α蛋白水平和H3K9me3水平，抑制MEF细胞内异染色质形成。进而我们推测CYT296是通过使体细胞染色质处于更开放的状态从而促进体细胞重编程。.与此同时，我们发现该类化合物还具有很好的抗肿瘤活性。其中代表性化合物CYT296、CYT280C-4T和CYT278T对A549、HepG2、MDA-MB-435、HL60和K562等多种肿瘤细胞都具有良好的增殖抑制作用。.本项目的研究成果不仅发现了一类可有效促进iPSC产生的新型螺环骨架化合物，初步揭示了该类化合物的作用机制，还发现了一类具有良好的抗肿瘤活性的新型螺环骨架化合物。本项目不仅可为iPSC研究和再生医学提供一类新型工具化合物；同时，还可为抗肿瘤药物研究提供新的先导化合物和候选药物。本项目所获得研究成果在干细胞基础研究和抗肿瘤药物研究领域具有重要的应用价值和良好的发展前景。