破解抗癌明星天然药物紫杉醇的生物合成难题

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破解抗癌明星天然药物紫杉醇的生物合成难题  第1张

紫杉醇(Taxol or Paclitaxel)是医药市场上最优秀的天然抗肿瘤药物之一,同时也是全球销量第一的植物抗癌药。在临床上,紫杉醇及其衍生药物多西他赛和卡巴他赛是一种广谱的抗癌药物,可用于乳腺癌、肺癌、前列腺癌和卵巢癌等多种癌症的治疗,在国际医药市场中需求巨大。在20 世纪90 年代末和21 世纪初,紫杉醇每年的销售额超过15亿美元,在2001年的销售巅峰时期,年销售额达到20亿美元,成为当年重磅明星抗癌“神药”。


虽然目前已有超过十条全合成路线的报导,但由于紫杉醇结构过于复杂,这些全合成面临着合成步骤长、效率低的问题,因此并没有一条紫杉醇的全合成路线应用于紫杉醇的工业化生产。目前,紫杉醇的工业化生产主要采取半合成的策略,即先从红豆杉的枝叶中分离得到关键中间体(10-deacetylbaccatin III),再通过四步化学转化来合成紫杉醇。由于红豆杉的生长不仅十分缓慢,且易受到自然灾害的影响,再加上枝叶中的合成前体含量低,提取纯化困难,因此该半合成策略也无法满足紫杉醇日益增长的临床需求。


随着生物技术的快速发展,基于合成生物学的异源合成策略已发展成为解决复杂植物天然产物高效制备的有力手段,因此通过合成生物学的手段实现紫杉醇的高效、绿色和可持续生产受到了广泛的关注。然而,要实现紫杉醇在异源体系中的从头合成,必须要鉴定紫杉醇生物合成通路中所缺失的关键酶,打通紫杉醇完整的生物合成途径。


北京大学雷晓光团队长期从事植物天然产物生物合成与酶催化研究,前期在桑科植物D-A类型天然产物的生物合成研究中取得了一系列开拓性成果,发现了自然界中首例真正意义的Diels-Alder反应酶,并且利用化学酶法策略完成了多个天然药物分子的高效、精准合成(Nature Chemistry202012, 620–628;Nature Catalysis 20214, 1059–1069)。中国农业科学院(深圳)基因组研究所(以下简称基因组所)的闫建斌团队于2021年率先绘制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,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(Nature Plants20217, 1026)。


为解决上述困扰人类半个多世纪的紫杉醇生物合成难题,北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心雷晓光教授团队与基因组所闫建斌研究员团队联合国内外其他五家科研单位通力合作,利用多组学分析、基因功能研究、天然产物合成与化学生物学、酶学等手段,鉴定了紫杉醇生物合成途径中缺失的关键反应酶,揭示了紫杉醇氧杂环丁烷的形成机制,最终实现了紫杉烷类抗癌药物关键合成前体巴卡亭III在烟草中的异源合成。该研究成果解决了紫杉醇生物合成研究中的关键瓶颈问题,是植物天然药物分子生物合成领域中里程碑式的科学突破,为利用合成生物学的手段实现紫杉醇的高效、可持续生产铺平了道路,具有极高的科学创新性与应用价值。


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图1、紫杉醇工业化生产前体巴卡亭III生物合成过程


该工作以“Characterization and heterologous reconstitution ofTaxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III”为题发表在国际权威期刊Science上(Science 2024, DOI: 10.1126/science.adj3484)。半个世纪以来,紫杉醇生物合成领域的前期科研突破主要由欧美国家的科学家主导完成,但是最终中国科学家破解了长期以来紫杉醇生物合成途径的“卡脖子”难题,鉴定了最具挑战的未知合成酶,实现了紫杉醇关键生产前体合成路线的人工重构。该工作发表后,美国化学会官方杂志-化学化工新闻周刊《C&E News》第一时间以“Finding a key puzzle piece in paclitaxel biosynthesis”为标题将该工作作为重要科学突破进行了专题新闻报道。


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