发布者：医学情报室 来源：中国科学报 2024-01-29
紫杉醇是众所周知的明星抗癌药，源自珍稀濒危植物红豆杉。作为全球销量第一的植物抗癌药，紫杉醇的价格一直居高不下。
1月26日，中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所（以下简称基因组所）领衔，联合北京大学、清华大学等国内外6家单位，在《科学》发表最新研究论文。该研究发现了紫杉醇生物合成途径中两个缺失的关键酶，阐明了关键结构分子——紫杉烷氧杂环丁烷的形成机制，打通了紫杉醇生物合成途径，有望“借腹生子”从普通作物中提取紫杉醇，从而大幅降低紫杉醇的价格。
“该成果结束了阐明紫杉醇生物合成途径的漫长研究历史，是在天然化合物生物合成途径解析和人工底盘通路重构上‘教科书式’的突破，也代表了我国科学家在合成生物学领域奋斗近20年达到的里程碑式的新高度。”中国科学院院士赵国屏评价说。
抗癌奇药源自珍稀濒危“国宝”
国家癌症中心最新数据显示，我国的癌症新发病例和死亡人数均位居全球第一。被誉为“抗癌奇药”的紫杉醇，广泛应用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌等多种癌症的临床治疗，是现阶段为数不多可以控制癌细胞生长的植物药物。
通讯作者、基因组所研究员闫建斌告诉《中国科学报》，紫杉醇是一种结构异常复杂且独特的四环二萜类天然产物，仅来源于珍稀濒危裸子植物红豆杉。
红豆杉在地球上已经生存了250万年，是第四纪冰川时期孑遗植物，是植物中的活化石，素有“植物大熊猫”之称，是我国一级珍稀濒危保护植物。
“我国紫杉醇原料药主要从人工种植的红豆杉中提取紫杉醇前体，结合化学半合成获得。”闫建斌说。
其中，化学半合成过程技术成熟、成本可控。而决定紫杉醇生产成本的是关键前体物质巴卡亭III的获得，其提取高度依赖有限的红豆杉植物资源。然而，红豆杉生长速度缓慢，一般成树需要几十年甚至上百年；同时，紫杉醇类物质在红豆杉植物中的含量极低，提取1克紫杉醇需要13.6公斤的红豆杉树皮，相当于治疗一位卵巢癌患者需要约10棵成长百年的红豆杉树。
这造成了紫杉醇药物生产成本昂贵、药物供给很难满足我国癌症防控需要、我国癌症患者不得不承受昂贵治疗费用的局面，还可能引发破坏生态和占用耕地等诸多问题。
红豆杉已被全世界42个国家奉为“国宝”，并纳入《濒危野生动植物种国际贸易公约》，各国进出口交易红豆杉材料被明令禁止或受到严格限制。
闫建斌说，随着合成生物学与绿色生物制造技术的发展，将红豆杉中编码紫杉醇合成的基因导入微生物，或用其他植物异源生产紫杉醇，成为最具潜力的紫杉醇可持续生产路线。
然而，赵国屏说：“紫杉醇异常复杂的化学结构决定了其生物合成途径解析难度极高。在过去数十年里，欧美国家已解析了合成途径涉及的多个酶，但仍因部分关键功能基因未被鉴定，导致合成通路不完整。”
论文作者、中国科学院院士黄三文说，世界各国尤其是癌症大国都在积极推动相关研究与产业发展。美国自上世纪60年代开始，一直主导着紫杉醇的科技前沿，该国最早从红豆杉分离和鉴定了紫杉醇，首次阐明了紫杉醇独特的抗癌机理，成功开发了巴卡亭III生产紫杉醇的半合成路线，实现了紫杉醇的商业化。
“此前，全球共鉴定出近20个紫杉醇合成相关基因，但紫杉醇生物合成领域的前沿突破主要由欧美国家主导完成。”中国科学院院士邓子新说，开发绿色环保的紫杉醇生物合成策略对于我国的癌症防治战略具有重大意义。
填补紫杉醇生物合成通路空白
“我国要在紫杉醇绿色制造的道路上走得好，满足人民群众的健康需要，只能靠自主研发。”闫建斌说，最先进的紫杉醇提取技术、核心的红豆杉细胞生产技术和基因工程技术等，牢牢掌控在欧美制药公司手中。
论文共同通讯作者、北京大学教授雷晓光也高度关注紫杉醇的生物合成研究。早在2019年，他就与闫建斌联手开展相关研究。雷晓光说，紫杉醇的生物合成途径高度复杂，需要经历多次羟基化、酰基化、氧化重排等酶促反应。虽然合成途径中，侧链形成及其与巴卡亭III结合产生紫杉醇的过程已清晰，但生成巴卡亭III的几个必要步骤却不清楚，特别是催化四元氧杂环形成和C9位氧化的生物酶一直未知。这导致半个世纪以来，完整的紫杉醇生物合成途径难以解析。
为破解这一重大难题，获得红豆杉的基因组图谱是当务之急。闫建斌带领团队于2021年率先绘制出国际首张染色体级别的南方红豆杉高质量参考基因组图谱，鉴定出红豆杉独有的紫杉醇生物合成相关基因家族和首个紫杉醇生物合成基因簇，为紫杉醇生物合成途径的解析提供了基因组学蓝图和关键候选基因。
这项工作涉及跨学科领域团队的合作。记者了解到，研究人员利用闫建斌和雷晓光联手建立的基于生物合成中间体的酶学平台，通过大量筛选实验，从58个关键候选基因中发现一个基因编码的蛋白酶可以直接催化四元氧杂环形成。
“传统上，人们会认为三元环是四元环发生的前提，但这一未知酶的发现颠覆了传统的认知，三元环和四元环是同时发生的。”闫建斌说，这套全新的反应机制有效填补了扩展反应机制的缺失，重塑了人类对于含氧四元环结构分子反应机制的理解。
雷晓光说，为了鉴定C9位的氧化酶，他们结合创新的筛选方法，从17个候选基因中发现了催化C9位氧化的基因。利用人工异源合成途径构建策略，他们将此前发现的2个基因同其他7个已知的合成基因组合在一起合成巴卡亭III分子，促成了紫杉醇异源合成。
“这是迄今为止最短的紫杉醇异源合成路线，比欧美国家研究出的路径跑得更快。”雷晓光说。这一研究成果突破了紫杉醇生物合成技术的封锁线，也突破了用合成生物学技术实现紫杉醇绿色可持续生物制造的关键瓶颈。
为紫杉醇绿色制造铺平道路
美国国家科学院院士、麻省理工学院教授Gregory Stephanopoulos是闫建斌博士后研究工作期间的指导教师，长期从事紫杉醇生物合成研究。Stephanopoulos说：“闫建斌课题组的进展除了对基础科学具有重要贡献之外，还有两个重要影响：为更有效、更廉价地合成紫杉醇药物开辟了道路，也为合成多种衍生物以寻找更有效的抗癌药物提供了新机遇。”
美国国家科学院院士、瑞典查尔姆斯理工大学终身教授Jens Nielsen认为，闫建斌等人的发现是对复杂天然产物生物合成理解的重大突破，它将使我们能合成其他天然产物，从而开发新药。
“红豆杉中紫杉醇含量约为万分之一到万分之三。但将生物合成技术用于易操作的普通植物时，可以大大加快育种进程、提高育种效率，同时，得益于普通作物生长周期短、种植成本低等特性，紫杉醇的提取成本也会大幅下降。”闫建斌表示，就好像借腹生子，该研究成果使得从普通作物中提取紫杉醇成为可能。
雷晓光说，让模式生物如酵母等生产紫杉醇，可以获得廉价的可持续的产品。下一步，他们将会和更多跨学科团队合作开展应用研究。
截至目前，在紫杉醇合成通路已鉴定的合成基因中，我国已拥有3个关键基因的自主知识产权。“这些成果不仅对指导红豆杉遗传育种和种质资源的高效利用具有重要意义，更为我国紫杉醇合成底盘改造提供数据和专利保障，为我国的紫杉醇绿色制造产业化铺平道路。”闫建斌说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj3484
