“我病了三年，4萬塊錢一瓶的藥我吃了三年,，房子吃沒了，家人被我吃垮了?！彪娪啊段也皇撬幧瘛分胁∮芽拊V藥貴的一段話戳中了許多人的淚點，也是許多患者吃不起“天價救命藥”的真實寫照,。高昂的藥品價格背后是歐美制藥企業(yè)對專利技術的壟斷,。如何讓更多的患者能夠吃上“更便宜、更有效”的救命藥,？自主研發(fā)是關鍵,。

為解決“明星抗癌藥”紫杉醇生物合成的卡脖子難題，打破國外技術壟斷,，中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）聯(lián)合北京大學,、清華大學等國內外六家單位開展技術攻關，在國際上率先實現(xiàn)了紫杉醇的生物合成，有望解決“明星抗癌藥”紫杉醇供應不足的問題,。

北京時間2024年1月26日凌晨3時,，國際頂級學術期刊《科學（Science）》在線發(fā)表了基因組所（省實驗室深圳分中心）閆建斌研究員與北京大學雷曉光教授等合作完成的最新研究成果：“Characterization and heterologous reconstitution of Taxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III（巴卡亭III生物合成酶的鑒定與異源重構）”，研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個缺失的關鍵酶“T9αH”“TOT”,，闡明了關鍵結構分子—紫杉烷氧雜環(huán)丁烷的形成機制,，打通了紫杉醇生物合成途徑。該研究成果標志著我國在紫杉醇合成生物學理論和技術上站在了世界領先地位,。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3484

“明星抗癌藥”紫杉醇

在自然界中,，存在一類天然產(chǎn)物藥物，被廣泛應用于癌癥治療,、預防心血管疾病等，紫杉醇就是其中一種,。作為一種高效,、低毒、廣譜的天然抗癌藥物,，紫杉醇因其藥效顯著和用途廣泛,，被譽為“明星抗癌藥”，廣泛應用于乳腺癌,、卵巢癌,、肺癌、前列腺癌,、食管癌,、胃癌和大腸癌等多種癌癥的臨床治療。

然而,，天然紫杉醇來源稀缺且單一,，僅能從珍稀瀕危裸子植物紅豆杉中提取，但紅豆杉極為稀少,，且生長速度緩慢,，素有“植物大熊貓”之稱。不僅如此,，紫杉醇在紅豆杉植物中的含量極低,，數(shù)千棵紅豆杉中僅能提取1千克左右的紫杉醇，而治療1位卵巢癌患者至少需要幾十克紫杉醇,。

紅豆杉

目前,，我國紫杉醇原料藥主要通過從人工種植的紅豆杉植物提取紫杉醇前體結合化學半合成方法獲得，這種方式高度依賴紅豆杉資源,，成本高,，產(chǎn)量低，很難滿足我國日益嚴峻的癌癥防控需要，還可能引發(fā)生態(tài)破壞和耕地占用等諸多問題,。

紫杉醇半合成途徑

如何不依賴紅豆杉,，實現(xiàn)紫杉醇的生物合成？

是擺在全世界科學家面前的一個難題,。

自上世紀80年代起,，科學家便開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余年內,，全球上百個科研團隊相繼投入到紫杉醇的生物全合成研究中,，但均未能實現(xiàn)突破。

經(jīng)過多年的探索,，基因組所（省實驗室深圳分中心）研究團隊領銜解決了這一世界級難題,，找到了一條無需消耗天然紅豆杉資源、不依賴土壤種植的綠色可持續(xù)生產(chǎn)方法,。

紫杉醇合成途徑中關鍵酶鑒定50年來無人突破

紫杉醇的生物合成

紫杉醇的生物合成途徑高度復雜,，涉及羥化、?；?、環(huán)氧化等多個生化反應和19個合成關鍵酶。

想要實現(xiàn)紫杉醇在異源系統(tǒng)中的生物合成,，需要突破三個難點,。

一是找到紫杉醇關鍵生物合成酶。

二是解析關鍵合成酶的催化機制,。

三是設計線路實現(xiàn)異源生物合成,。

找到“缺失的”酶

自紫杉醇發(fā)現(xiàn)以來的半個世紀里，絕大多數(shù)紫杉醇合成相關基因均由歐美研究團隊主導完成,。最先進的紫杉醇提取技術,、核心的紅豆杉細胞生產(chǎn)技術和基因工程技術等，依然牢牢掌控在歐美制藥公司的手中,，如美國的百時美施貴寶制藥公司,，法國的賽諾菲公司，德國Phyton公司等,。

突破之路,，始于首張南方紅豆杉基因組藍圖。

2021年,，閆建斌團隊領銜繪制國際首張染色體級別的南方紅豆杉高質量參考基因組圖譜,，揭示了紅豆杉合成抗癌藥物紫杉醇的遺傳基礎,，為紫杉醇生物合成途徑的解析提供了基因組學藍圖和關鍵候選基因。相關研究成果以封面文章形式發(fā)表在《自然植物（Nature Plants）》上,。

在此基礎上,，研究團隊進一步對58個紫杉醇生物合成關鍵候選基因進行篩選，成功發(fā)現(xiàn)了能夠催化氧雜環(huán)丁烷環(huán)合成的細胞色素P450酶,，命名為TOT1（紫杉烷氧雜環(huán)丁烷合酶,，Taxane Oxetanase 1）（圖1），研究發(fā)現(xiàn),，該基因能夠顯著降低巴卡亭III和紫杉醇的生物合成,。

圖1 紫杉烷氧雜環(huán)丁烷合酶的篩選與鑒定

由于難以分離C9位未被氧化的中間體，在過去三十年中科研人員始終未能鑒定催化紫杉烷C9氧化的酶,。為突破這一難題,，研究團隊創(chuàng)造性地構建了紫杉素的生物合成植物底盤，利用該底盤和生物信息學分析,，從17個候選基因中篩選出了負責紫杉烷 C9 位氧化的酶T9αH1（Taxane 9α hydroxylase 1）（圖2）,。該基因位于紅豆杉的9號染色體上，介于T2αH和T7βH兩個已知的紫杉醇合成基因之間,。

圖2 紫杉烷C9氧化酶的篩選與鑒定

解析催化機制

傳統(tǒng)觀點認為，紫杉醇氧雜環(huán)丁烷的形成涉及兩步過程：首先,，4(20)-烯-5α-乙酸酯結構被環(huán)氧化,，生成 4(20)β-環(huán)氧-5α-乙酰氧基三元環(huán)中間體（稱為環(huán)氧化物環(huán)），然后通過重排反應從環(huán)氧化物擴展為氧雜環(huán)丁烷,。也就是說,，環(huán)氧化物的形成是生成氧雜環(huán)丁烷的先決條件。然而,，本研究發(fā)現(xiàn)TOT1并不能催化三元環(huán)中間體向四元環(huán)的轉變,，而是將雙鍵結構同時轉變?yōu)槿h(huán)和四元環(huán)結構，從而證明了環(huán)氧化物不是氧雜環(huán)丁烷形成的必要中間體（圖3）,。

圖3| TOT1催化雙鍵結構同時生成三元環(huán)和四元環(huán)產(chǎn)物

通過密度泛函理論（DFT）計算與酶的底物選擇性檢測,，研究者們進一步揭示了環(huán)氧化物和氧雜環(huán)丁烷都可以通過 TOT1 酶中的羰基離子中間體（Int1）產(chǎn)生，但氧雜環(huán)丁烷產(chǎn)物的生成在能量和動力學上都比環(huán)氧化物更有利,，解釋了氧雜環(huán)丁烷為優(yōu)勢產(chǎn)物的分子機制,。這一研究結果，顛覆了30年來人類對于該結構生成機制的傳統(tǒng)認知,，填補了僅在植物界中存在的環(huán)擴張反應生成含氧四元環(huán)結構的分子機制的缺失（圖4）,。

圖4 TOT1介導氧化反應的反應能分布圖

設計和異源重建合成路線

在解決了關鍵酶缺失的問題后，研究人員利用人工異源合成途徑構建策略,，將新鑒定得到的酶與已知合成酶進行組合,，通過多次嘗試,，成功在植物底盤中生成了巴卡亭III。該合成路線僅需9個關鍵生物合成酶（TOT1,、T9αH1,、TXS、T5αH,、T13αH,、T2αH、T7βH,、TAT,、TBT），進一步研究顯示,，這些核心基因受到植物激素茉莉素的共表達調控,，具有相似的誘導表達模式和顯著的表達相關性，說明這些基因在細胞中受到密切的協(xié)同調控,。結合亞細胞定位分析等實驗結果,，該研究繪制出了巴卡亭III的完整生物合成過程：

1、起始底物GGPP在葉綠體中被TXS酶催化形成紫杉二烯,。

2,、紫杉二烯通過質體-內質網(wǎng)的接觸點轉移到細胞質之后，受到內質網(wǎng)錨定的六個氧化酶（T2αH,、T5αH,、T7βH、T9αH,、T13αH 和 TOT）與兩個細胞質定位的?；D移酶（TAT和TBT）的協(xié)同催化，生成巴卡亭III,。

圖5 巴卡亭III的完整生物合成過程

該研究成功發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中最具挑戰(zhàn)的未知酶,，闡明了顛覆傳統(tǒng)認知的植物含氧四元環(huán)結構的形成機制，建立了紫杉醇生產(chǎn)前體巴卡亭III的異源生物合成路線,，相關研究成果已申請或獲得多項專利,，為中國紫杉醇綠色制造產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。

中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）為第一單位,?；蚪M所閆建斌研究員和北京大學雷曉光教授為論文的共同通訊作者，基因組所碩士畢業(yè)生蔣彬,、北京大學高磊特聘副研究員和博士研究生王海軍,、基因組所博士研究生孫亞平為該論文的共同第一作者。

該研究得到了中華人民共和國科學技術部,、國家自然科學基金委員會,、美國國立衛(wèi)生研究院,、中國農業(yè)科學院、北京分子科學國家實驗室,、北大-清華生命科學聯(lián)合研究中心,、廣東省、北京市,、深圳市及大鵬新區(qū)的資助,。項目資助的第一標注為合成生物學國家重點研發(fā)計劃。

專家點評

中國科學院院士趙國屏

紫杉醇是人類迄今為止開發(fā)的最有效的抗癌天然產(chǎn)物藥物,，其異常復雜化學結構決定了生物合成途徑解析的空前難度,。在過去數(shù)十年的時間里，歐美國家已解析了合成途徑涉及的多個細胞色素 P450 單加氧酶,、?；D移酶和變位酶等，但仍因部分關鍵功能基因未被鑒定,，導致合成通路不完整,。該工作綜合利用基因組學、代謝組學,、生物化學,、分子生物學、合成生物學的技術手段,，成功解析了紫杉醇合成途徑中尚未被發(fā)現(xiàn)的若干關鍵催化酶,，并利用植物底盤實現(xiàn)了合成路線的人工重構。閆建斌研究員領銜完成的這一研究成果結束了闡明紫杉醇生物合成途徑的漫長研究歷史,，標志著在天然化合物生物合成途徑解析以及人工底盤通路重構方面的教科書式的突破；也生動代表著我國一批中青年科學家,，在合成生物學領域探索奮斗近二十年所達到的里程碑式新高度,。相信只要在“會聚研究“方向上繼續(xù)辛勤耕耘、協(xié)同攻關,，我們一定能取得對生命本質的新認識,，開拓合成生物制造的新前景。

中國科學院院士陳曉亞

紫杉醇是世界著名的植物抗癌天然產(chǎn)物藥物,，臨床上用于治療多種癌癥,，由于在植物中含量很低，十分珍貴,。自1971 年紫杉醇結構鑒定以來,，其生物合成途徑一直沒有打通。閆建斌課題組及合作者們成功鑒定了紫杉醇生物合成途徑中缺失的關鍵酶,，揭示了紫杉醇氧雜環(huán)丁烷成環(huán)的酶學機制,，發(fā)現(xiàn)了紫杉醇前體巴卡亭III的最短異源生物合成路線,，實現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑的重構。該研究是植物代謝生物學與合成生物學領域的重大突破,，為利用合成生物學技術實現(xiàn)紫杉醇的綠色可持續(xù)生產(chǎn)鋪平了道路,。

中國科學院院士鄧子新

癌癥是危害我國人民健康與生命的大敵，防治癌癥已上升為國家戰(zhàn)略,。世界銷量第一的抗腫瘤天然產(chǎn)物藥物是紫杉醇,，但其生產(chǎn)仍然依賴有限的紅豆杉天然資源。開發(fā)綠色環(huán)保的紫杉醇生物合成策略對于我國的癌癥防治戰(zhàn)略具有重大意義,。半個世紀以來,，紫杉醇生物合成領域的前沿突破主要由歐美國家的科學家主導完成，閆建斌課題組及合作者們繼率先繪制完成國際首張南方紅豆杉基因組圖譜之后,，進一步破解了長期以來紫杉醇生物合成途徑的“卡脖子”難題,，鑒定了最具挑戰(zhàn)的未知合成酶，實現(xiàn)了紫杉醇關鍵生產(chǎn)前體合成路線的人工重構,。該研究實現(xiàn)了紫杉醇合成生物學領域的引領性原創(chuàng)成果重大突破,，為實現(xiàn)我國紫杉醇生物智造的自立自強奠定了堅實基礎，具有里程碑意義,。

美國兩院院士 Jens Nielsen

瑞典查爾姆斯理工大學終身教授,，美國科學院、美國工程院,、中國工程院等八個國家級科學院或工程院的院士或外籍院士,，諾貝爾獎評審委員會委員、國際代謝工程協(xié)會創(chuàng)會主席

原文：Natural products produced by plants serve an important role in medicine, food and agriculture. The biosynthesis of these molecules is often involving many different chemical steps and the enzymes catalyzing these steps have in many cases not been identified. This hinders our ability to produce these valuable chemicals is sufficient amounts for the benefit of people and society. In this study of Professor Jianbin Yan they identified an important enzyme involved in biosynthesis of baccatin, an important anti-cancer drug. This finding is a major breakthrough in our understanding of the biosynthesis of complex natural products, and it will enable our abilities to produce other valuable natural products at scale and hereby develop new and valuable medicines.

翻譯：植物產(chǎn)生的天然產(chǎn)物在醫(yī)藥,、食品和農業(yè)領域中扮演者重要的角色,。這些分子的生物合成通常涉及許多不同的化學步驟，而且催化這些步驟的酶在大多情況下尚未被鑒定,。這阻礙了我們生產(chǎn)足夠數(shù)量的寶貴化學物質來造福人類和社會的能力,。在閆建斌教授的這項研究中，他們發(fā)現(xiàn)了一種參與重要抗癌藥物巴卡亭的生物合成的重要酶,。這一發(fā)現(xiàn)是我們對復雜天然產(chǎn)物生物合成的理解的重大突破,，它將使我們有能力大規(guī)模生產(chǎn)其他有價值的天然產(chǎn)物，從而開發(fā)出有價值的新藥,。

美國兩院院士 Gregory Stephanopoulos

美國麻省理工學院教授,，美國科學院院士，美國國家工程院院士

原文：It was first isolated in the bark of the Pacific Yew, and in the first years, it took several old trees to isolate enough material for the treatment of just a few cancer patients. This situation has since been corrected and the drug is now available in large quantities through various advances. Yet the elucidation of the metabolic pathway responsible for the synthesis of paclitaxel has been an unsolved problem for many years. This background makes the recent publication by the group of Professor Yan in Science a very important accomplishment indeed. The group succeeded in identifying the enzymes and genes that are responsible for the last two steps of key reactions in the synthesis of baccatin III, the key precursor in the taxol biosynthetic pathway. Doctor Yan and his group identified the taxol oxetanase that catalyzes the oxetane ring formation and another enzyme that is responsible for the taxane oxidation at the C9 position, thus they filled the gaps in the paclitaxel synthesis pathway. Besides constituting a very important contribution to basic science, this development is also significant for two additional reasons. First for opening the way for the more effective and cheaper synthesis of the taxol drug, but also for the new ability to synthesize many derivatives in search of more potent anti-cancer drugs.

翻譯：紫杉醇最初是從太平洋紫杉的樹皮中分離出來的,，早些年,，需要幾棵老樹才能分離出足夠的原料來治療幾個癌癥患者。后來,，經(jīng)過各種研究進展,，這種情況得到了改善,，現(xiàn)在可以大量獲得這種藥物。然而,，多年來,，紫杉醇合成代謝途徑的闡明一直是一個懸而未決的問題。在這一背景下,，閆教授課題組最近在《科學》雜志上發(fā)表的論文確實是一項非常重要的成就,。該研究小組成功地鑒定了負責合成巴卡亭III這一紫杉醇生物合成途徑中關鍵前體的最后兩個關鍵反應步驟的酶和基因。閆博士及其研究小組發(fā)現(xiàn)了催化氧雜環(huán)丁烷環(huán)形成的紫杉醇氧雜環(huán)丁烷環(huán)合酶和另一種負責紫杉烷 C9 位氧化的酶,，從而填補了紫杉醇合成途徑的空白,。除了對基礎科學的重要貢獻之外，這一進展還有兩個重要影響,。首先,，它為更有效、更廉價地合成紫杉醇藥物開辟了道路,，同時也為合成多種衍生物以尋找更有效的抗癌藥物提供了新的機遇,。

閆建斌課題組介紹

閆建斌課題組長期從事植物代謝與合成生物學研究，揭示了紅豆杉成為“植物大熊貓”的遺傳基礎,，鑒定了紫杉醇生物途徑的首個基因簇和關鍵缺失酶,，建立了紫杉醇異源生物合成路線；揭示了激素類天然產(chǎn)物茉莉素代謝調控分子機制,，闡明了茉莉素生物合成途徑的演化規(guī)律等,。在Science、Nat Plants,、Mol Plant等知名期刊發(fā)表論文50篇,。獲國家發(fā)明專利13項。多篇論文獲得專評,，入選Faculty 1000或入選ESI高被引論文,。