北京时间2024年3月15日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院合成生物学重点实验室周志华研究员、赵国屏院士团队及中国科学院上海有机化学研究所马大为院士团队合作在国际知名学术期刊《自然-通讯》Nature Communications发表了题为“Biosynthesis of the highly oxygenated tetracyclic core skeleton of Taxol”的研究论文。该研究揭示了紫杉醇的四环核心骨架及其系列前体的生物合成途径。

二萜化合物紫杉醇在临床上被广泛应用于乳腺癌、肺癌和卵巢癌等的治疗，已成为一种广谱、高效的抗癌药物。紫杉醇类药物最初的获取方式是从红豆杉的树皮中直接提取与分离，近年来制备紫杉醇类药物的主要生产方式是利用化学合成方式将从植物针叶中分离得到的前体化合物巴卡亭Ⅲ和10-脱乙酰基-巴卡亭Ⅲ转化为紫杉醇。紫杉醇具有高度氧化的 [6-8-6-4] 核心骨架、11个手性中心和1个桥头双键，这些独特和复杂的立体化学结构，不仅导致其化学合成面临巨大挑战，也注定了其生物合成途径的复杂性。过去20多年尽管已经报道了系列可能参与紫杉醇合成的关键酶，但由于合成途径的中间产物不明确以及其他关键生物元件（紫杉烷C9和C1位羟基化酶及氧杂环丁烷合酶）的缺失，从双氧化紫衫烷中间体到紫杉醇核心骨架的形成过程尚不清晰。

针对以上问题，研究团队首先通过重新挖掘已报道酶元件的新催化功能及发现新中间产物（图中蓝色数字），解析了紫杉醇生物合成途径中第二步和第三步的羟基化反应步骤，从而确认了三氧化紫杉烷生物合成途径；然后利用新发现的化合物为底物，通过转录组分析与酵母体内体外的筛选，新挖掘了紫杉烷C9位羟基化酶（CYP725A37）和催化紫杉醇氧杂环丁烷形成的P450 (CYP725A55) （图中蓝色酶元件名）。研究团队还通过底物喂养实验、氘代以及¹⁸O同位素标记实验证明CYP725A55催化的氧杂环丁烷形成并非前人推测的环氧化-重排反应过程，而是一个直接氧化-协同重排反应机制；并通过挖掘和鉴定紫杉烷C7-OH乙酰基转移酶，团队完整解析了含有紫杉醇四环核心骨架化合物1-去羟基巴卡亭VI的生物合成途径和催化步骤，最终在酿酒酵母中实现了从紫杉二烯-5α-醇（2）到1-去羟基巴卡亭VI（16）的定向生物合成。与此同时，其他研究组利用烟草筛选系统也挖掘了紫杉烷C9位羟基化和催化紫杉醇氧杂环丁烷形成的P450，并在烟草细胞中实现了巴卡亭III的微量合成（Jiang et al. Science. 383, 2024)，但尚不清楚从紫杉醇四环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参与。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心助理研究员杨成帅、副研究员王燕和硕士生苏振为该论文的共同第一作者，周志华研究员、赵国屏院士、马大为院士（中国科学院上海有机化学研究所）和严兴研究员为本论文的通讯作者。已毕业硕士熊伦艺、副研究员王平平和上海化工研究院正高级工程师雷雯参与了部分研究工作。本项目受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际大科学培育计划等项目和生合万物(上海)生物科技有限公司的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46583-3

图1. 酿酒酵母中1-去羟基巴卡亭VI（16）的生物合成途径与其生物合成。