北京時(shí)間2024年3月15日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/中國(guó)科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周志華研究員、趙國(guó)屏院士團(tuán)隊(duì)及中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所馬大為院士團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際知名學(xué)術(shù)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(yīng)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(lèi)藥物最初的獲取方式是從紅豆杉的樹(shù)皮中直接提取與分離，近年來(lái)制備紫杉醇類(lèi)藥物的主要生產(chǎn)方式是利用化學(xué)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(zhuǎn)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(gè)手性中心和1個(gè)橋頭雙鍵，這些獨(dú)特和復(fù)雜的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，不僅導(dǎo)致其化學(xué)合成面臨巨大挑戰(zhàn)，也注定了其生物合成途徑的復(fù)雜性。過(guò)去20多年盡管已經(jīng)報(bào)道了系列可能參與紫杉醇合成的關(guān)鍵酶，但由于合成途徑的中間產(chǎn)物不明確以及其他關(guān)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(guò)程尚不清晰。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)重新挖掘已報(bào)道酶元件的新催化功能及發(fā)現(xiàn)新中間產(chǎn)物（圖中藍(lán)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(yīng)步驟，從而確認(rèn)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(guò)轉(zhuǎn)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(lán)色酶元件名）。研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)底物喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、氘代以及¹⁸O同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證明CYP725A55催化的氧雜環(huán)丁烷形成并非前人推測(cè)的環(huán)氧化-重排反應(yīng)過(guò)程，而是一個(gè)直接氧化-協(xié)同重排反應(yīng)機(jī)制；并通過(guò)挖掘和鑒定紫杉烷C7-OH乙?；D(zhuǎn)移酶，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)，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(xì)胞中實(shí)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(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)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(guó)屏院士、馬大為院士（中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所）和嚴(yán)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?jí)工程師雷雯參與了部分研究工作。本項(xiàng)目受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際大科學(xué)培育計(jì)劃等項(xiàng)目和生合萬(wàn)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。