自紫杉醇發(fā)現(xiàn)以來(lái)的半個(gè)世紀(jì)里，絕大多數(shù)紫杉醇合成相關(guān)基因均由歐美研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成。今天，這一情況得到改變。
北京時(shí)間1月26日凌晨3時(shí)，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員閆建斌領(lǐng)銜完成的最新研究成果“巴卡亭III生物合成酶的鑒定與異源重構(gòu)”。研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個(gè)缺失的關(guān)鍵酶“T9αH1”“TOT1”，闡明了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子——紫杉烷氧雜環(huán)丁烷的形成機(jī)制，打通了紫杉醇生物合成途徑。
“紫杉醇異常復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了生物合成途徑解析的空前難度。”中國(guó)科學(xué)院院士趙國(guó)屏表示，這一研究成果標(biāo)志著我國(guó)在天然化合物生物合成途徑解析以及人工底盤(pán)通路重構(gòu)方面取得突破性進(jìn)展。
中國(guó)科學(xué)院院士鄧子新認(rèn)為，該研究實(shí)現(xiàn)了紫杉醇合成生物學(xué)領(lǐng)域的引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。
紫杉醇的生物全合成研究尚未實(shí)現(xiàn)
紫杉醇是著名的植物抗癌天然產(chǎn)物藥物，廣泛應(yīng)用于乳腺癌、卵巢癌等多種癌癥的臨床治療。
然而，天然紫杉醇來(lái)源稀缺且單一，僅能從珍稀瀕危裸子植物紅豆杉中提取。如何不依賴紅豆杉實(shí)現(xiàn)紫杉醇的生物合成？
自上世紀(jì)80年代起，科學(xué)家便開(kāi)始尋找一種可以替代天然提取紫杉醇的合成方法。1990年，美國(guó)率先研發(fā)出一條紫杉醇半合成路線，并迅速投入商業(yè)化生產(chǎn)。在此后的30余年里，全球上百個(gè)科研團(tuán)隊(duì)相繼投入到紫杉醇的生物全合成研究中，但均未能實(shí)現(xiàn)突破。
找到兩個(gè)關(guān)鍵的酶
經(jīng)過(guò)多年的潛心鉆研，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的研究團(tuán)隊(duì)終于攻克了這個(gè)科學(xué)難題。他們開(kāi)創(chuàng)了一種既不需要消耗天然紅豆杉資源，也不需要依賴土壤種植的環(huán)保且可持續(xù)的生產(chǎn)方法。
2021年，閆建斌團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜繪制出了國(guó)際首張染色體級(jí)別的南方紅豆杉高質(zhì)量參考基因組圖譜。這張圖譜就像一張“藏寶圖”，揭開(kāi)了紅豆杉合成紫杉醇的遺傳密碼，為解析紫杉醇生物合成途徑提供了寶貴的基因組學(xué)指南和關(guān)鍵線索。這項(xiàng)研究成果作為封面文章刊登于國(guó)際期刊《自然-植物》。
閆建斌介紹道，在這張圖譜的指引下，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選了58個(gè)紫杉醇生物合成的關(guān)鍵候選基因。最終他們成功發(fā)現(xiàn)了能夠催化氧雜環(huán)丁烷環(huán)合成的細(xì)胞色素P450酶，并給它起了一個(gè)響亮的名字——TOT1。
然而，在過(guò)去的三十年里，科學(xué)家們一直未能鑒定出催化紫杉烷C9位氧化的酶，原因就在于難以分離出C9位未被氧化的中間體。
面對(duì)這個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有放棄，而是另辟蹊徑。他們創(chuàng)造性地構(gòu)建了一個(gè)紫杉素的生物合成植物底盤(pán)，并利用這個(gè)底盤(pán)和生物信息學(xué)分析，從17個(gè)候選基因中成功篩選出了負(fù)責(zé)紫杉烷C9位氧化的酶T9αH1。這個(gè)基因就像是一個(gè)隱藏在紅豆杉9號(hào)染色體上的寶藏，被兩個(gè)已知的紫杉醇合成基因T2αH和T7βH守護(hù)著。
酶T9αH1的發(fā)現(xiàn)不僅解開(kāi)了科學(xué)家們心中的謎團(tuán)，更為紫杉醇的生物合成研究開(kāi)辟了新的道路。
“在閆建斌教授領(lǐng)銜的這項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)了一種參與重要抗癌藥物巴卡亭生物合成的重要酶。這一發(fā)現(xiàn)是我們對(duì)復(fù)雜天然產(chǎn)物生物合成理解的重大突破，它將使我們有能力大規(guī)模生產(chǎn)其他有價(jià)值的天然產(chǎn)物，從而開(kāi)發(fā)出有價(jià)值的新藥?！比鸬洳闋柲匪估砉ご髮W(xué)終身教授，美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院院士延斯·尼爾森表示。
巴卡亭III的生物合成之旅
在克服了關(guān)鍵酶缺失的難題后，研究人員巧妙地運(yùn)用了人工異源合成途徑的策略，將新發(fā)現(xiàn)的酶與已知的合成酶巧妙地組合在一起。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的嘗試，終于在植物底盤(pán)中成功生成了巴卡亭III，這是紫杉醇生物合成過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的中間體。
閆建斌介紹，結(jié)合亞細(xì)胞定位分析等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究人員繪制出了巴卡亭III的完整生物合成路線圖。這個(gè)過(guò)程就像是一場(chǎng)精心編排的舞蹈，起始底物在葉綠體這個(gè)舞臺(tái)上被酶催化成紫杉二烯。隨后，紫杉二烯通過(guò)質(zhì)體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的接觸點(diǎn)優(yōu)雅地轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。在這里，它受到了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)錨定的六個(gè)氧化酶和兩個(gè)細(xì)胞質(zhì)定位的?；D(zhuǎn)移酶的協(xié)同催化，最終變身為巴卡亭III。
“自1971年紫杉醇結(jié)構(gòu)鑒定以來(lái)，其生物合成途徑一直沒(méi)有打通?！敝袊?guó)科學(xué)院院士陳曉亞認(rèn)為，該研究是植物代謝生物學(xué)與合成生物學(xué)領(lǐng)域的重大突破，為利用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫杉醇的綠色可持續(xù)生產(chǎn)鋪平了道路。
