北京時間2024年3月15日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/中國科學院合成生物學重點實驗室周志華研究員、趙國屏院士團隊及中國科學院上海有機化學研究所馬大為院士團隊合作在國際知名學術期刊《自然-通訊》Nature Communications發(fā)表了題為“Biosynthesis of the highly oxygenated tetracyclic core skeleton of Taxol”的研究論文。該研究揭示了紫杉醇的四環(huán)核心骨架及其系列前體的生物合成途徑。

二萜化合物紫杉醇在臨床上被廣泛應用于乳腺癌、肺癌和卵巢癌等的治療，已成為一種廣譜、高效的抗癌藥物。紫杉醇類藥物最初的獲取方式是從紅豆杉的樹皮中直接提取與分離，近年來制備紫杉醇類藥物的主要生產(chǎn)方式是利用化學合成方式將從植物針葉中分離得到的前體化合物巴卡亭Ⅲ和10-脫乙?；?/span>-巴卡亭Ⅲ轉化為紫杉醇。紫杉醇具有高度氧化的 [6-8-6-4] 核心骨架、11個手性中心和1個橋頭雙鍵，這些獨特和復雜的立體化學結構，不僅導致其化學合成面臨巨大挑戰(zhàn)，也注定了其生物合成途徑的復雜性。過去20多年盡管已經(jīng)報道了系列可能參與紫杉醇合成的關鍵酶，但由于合成途徑的中間產(chǎn)物不明確以及其他關鍵生物元件（紫杉烷C9和C1位羥基化酶及氧雜環(huán)丁烷合酶）的缺失，從雙氧化紫衫烷中間體到紫杉醇核心骨架的形成過程尚不清晰。

針對以上問題，研究團隊首先通過重新挖掘已報道酶元件的新催化功能及發(fā)現(xiàn)新中間產(chǎn)物（圖中藍色數(shù)字），解析了紫杉醇生物合成途徑中第二步和第三步的羥基化反應步驟，從而確認了三氧化紫杉烷生物合成途徑；然后利用新發(fā)現(xiàn)的化合物為底物，通過轉錄組分析與酵母體內(nèi)體外的篩選，新挖掘了紫杉烷C9位羥基化酶（CYP725A37）和催化紫杉醇氧雜環(huán)丁烷形成的P450 (CYP725A55) （圖中藍色酶元件名）。研究團隊還通過底物喂養(yǎng)實驗、氘代以及¹⁸O同位素標記實驗證明CYP725A55催化的氧雜環(huán)丁烷形成并非前人推測的環(huán)氧化-重排反應過程，而是一個直接氧化-協(xié)同重排反應機制；并通過挖掘和鑒定紫杉烷C7-OH乙?；D移酶，團隊完整解析了含有紫杉醇四環(huán)核心骨架化合物1-去羥基巴卡亭VI的生物合成途徑和催化步驟，最終在釀酒酵母中實現(xiàn)了從紫杉二烯-5α-醇（2）到1-去羥基巴卡亭VI（16）的定向生物合成。與此同時，其他研究組利用煙草篩選系統(tǒng)也挖掘了紫杉烷C9位羥基化和催化紫杉醇氧雜環(huán)丁烷形成的P450，并在煙草細胞中實現(xiàn)了巴卡亭III的微量合成（Jiang et al. Science. 383,2024)，但尚不清楚從紫杉醇四環(huán)核心骨架到化合物巴卡亭III是否需要以及需要什么酶元件參與。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心助理研究員楊成帥、副研究員王燕和碩士生蘇振為該論文的共同第一作者，周志華研究員、趙國屏院士、馬大為院士（中國科學院上海有機化學研究所）和嚴興研究員為本論文的通訊作者。已畢業(yè)碩士熊倫藝、副研究員王平平和上?；ぱ芯吭赫呒壒こ處熇做﹨⑴c了部分研究工作。本項目受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院國際大科學培育計劃等項目和生合萬物(上海)生物科技有限公司的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46583-3

圖1. 釀酒酵母中1-去羥基巴卡亭VI（16）的生物合成途徑與其生物合成。