紫杉醇(Paclitaxel)，眾所周知的抗癌明星藥，源自珍稀瀕危植物紅豆杉。作為全球銷量第一的植物抗癌藥，紫杉醇的價格一直居高不下。
中國農業科學院（深圳）農業基因組研究所（以下簡稱「基因組所」）領銜，聯合北京大學、清華大學等國內外六家單位，在《科學》（Science）上以長文形式發表最新研究論文，有望讓抗癌明星藥價格大幅下降。
研究發現了紫杉醇生物合成途徑中的兩個缺失的關鍵酶「T9αH」「TOT」，闡明瞭關鍵結構分子——紫杉烷氧雜環丁烷的形成機制，打通了紫杉醇生物合成途徑。
「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，標誌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鬥近二十年所達到的裡程碑式新高度。」中國科學院院士趙國屏說。
抗癌奇藥源自珍稀瀕危「國寶」
據國家癌症中心最新資料顯示，我國的癌症新發病例和死亡人數均位居全球第一，遠超世界其他國家。作為全球最知名、療效最好的抗腫瘤天然產物藥物，紫杉醇廣泛應用於乳腺癌、卵巢癌、肺癌等多種癌症的臨床治療，也是現階段發現的為數不多的可以控制癌細胞生長的植物藥物。
論文主通訊作者、基因組所研究員閆建斌告訴《中國科學報》，紫杉醇是一種結構異常複雜且獨特的四環二萜類天然產物，它僅來源於珍稀瀕危裸子植物紅豆杉。
紅豆杉在地球上已經生存了250萬年，是第四紀冰川時期孑遺植物，植物中的活化石，素有「植物大熊貓」之稱，是我國一級珍稀瀕危保護植物。
「我國紫杉醇原料藥主要依靠人工種植的紅豆杉提取紫杉醇前體，結合化學半合成獲得。」閆建斌介紹，透過採集人工培育的紅豆杉枝葉等材料，分離提取紫杉醇前體分子，包括巴卡亭Ⅲ等，再利用簡單的化學合成過程，在前體分子上接上一條化學合成的側鏈，從而獲得紫杉醇原料藥。
其中，化學半合成過程技術成熟，成本可控。決定紫杉醇生產成本的依然是關鍵前體物質巴卡亭III的獲得，其提取高度依賴有限的紅豆杉植物資源。然而，紅豆杉生長速度緩慢，一般成樹需要幾十年甚至上百年；同時，紫杉醇類物質在紅豆杉植物中的含量極低，提取1克紫杉醇需要13.6公斤的紅豆杉樹皮，治療一個卵巢癌患者，需要砍掉10顆左右成長百年的紅豆杉樹。
上述客觀事實造成了紫杉醇藥物生產成本昂貴，藥物供給很難滿足我國日益嚴峻的癌症防控需要，我國癌症患者不得不承受昂貴的治療費用的局面，還可能引發生態破壞和耕地佔用等諸多問題。
紅豆杉已被全世界42個國家稱為「國寶」，並且納入了《瀕危野生動植物種國際貿易公約》，各國間進出口交易紅豆杉材料受到嚴格禁止或限制。
閆建斌說，隨著合成生物學與綠色生物製造技術的發展，將紅豆杉中編碼紫杉醇合成的基因匯入微生物或用其他植物中異源生產紫杉醇，成為了最具潛力的紫杉醇可持續生產路線。
然而，「紫杉醇異常複雜的化學結構決定了其生物合成途徑解析的空前難度。在過去數十年的時間裡，歐美國家已解析了合成途徑涉及的多個酶，但仍因部分關鍵功能基因未被鑑定，導致合成通路不完整。」趙國屏說。
論文作者、中國科學院院士黃三文告訴《中國科學報》，世界各國，尤其是癌症大國都在積極推動相關研究與產業發展。美國自上世紀60年代開始，一直主導著紫杉醇的科技前沿，美國科學家們最早從紅豆杉分離和鑑定了紫杉醇，首次闡明瞭紫杉醇的獨特抗癌機理，成功開發了巴卡亭III生產紫杉醇的半合成路線，實現了紫杉醇的商業化。
「此前，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。」中國科學院院士鄧子新說，全球共鑑定出近20個紫杉醇合成相關基因，全部由歐美研究團隊完成。開發綠色環保的紫杉醇生物合成策略對於我國的癌症防治戰略具有重大意義。
填補紫杉醇生物合成通路空白
「我國要在紫杉醇綠色製造的道路上走的好，滿足人民群眾的健康需要，只能也必須靠自主研發、迎難而上。」閆建斌說，最先進的紫杉醇提取技術、核心的紅豆杉細胞生產技術和基因工程技術等，依然牢牢掌控在歐美製藥公司的手中。
論文共同通訊作者、北京大學教授雷曉光也高度關注紫杉醇的生物合成研究。早在2019年，雷曉光和閆建斌就聯手開展相關研究。
雷曉光告訴《中國科學報》，紫杉醇的生物合成途徑高度複雜，需要經歷多次羥基化、醯基化、氧化重拍等酶促反應，才能最終形成。雖然合成途徑中，側鏈形成及其與巴卡亭III結合產生紫杉醇的過程已清晰，但生成巴卡亭III的幾個必要步驟不清楚，特別是催化四元氧雜環形成和C9位氧化的生物酶一直未知。這導致半個世紀以來，完整的紫杉醇生物合成途徑難以解析，成為領域內的重大難題。
為解開這一難題，首先要獲得紅豆杉的基因組圖譜。閆建斌帶領團隊於2021年率先繪製出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，鑑定出紅豆杉獨有的紫杉醇生物合成相關基因家族和首個紫杉醇生物合成基因簇，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。
閆建斌和雷曉光都向記者強調：「這項工作涉及到跨學科領域團隊的合作。」利用他們聯手建立的基於生物合成中間體的酶學平臺，透過大量篩選試驗，從58個關鍵候選基因中發現一個基因編碼的蛋白酶可以直接催化四元氧雜環形成。
閆建斌說：「傳統上，人們會認為三元環是四元環發生的前提，但這一未知酶的發現顛覆了傳統的認知，三元環和四元環是同時發生的。」這一套全新的反應機制有效填補了擴充套件反應機制的缺失，重塑了人類對於含氧四元環結構分子反應機制的理解。
雷曉光告訴《中國科學報》，為了鑑定C9位的氧化酶，他們結合創新的篩選方法，從17個候選基因中發現了催化C9位氧化的基因。利用人工異源合成途徑構建策略，他們將此前發現的2個基因同其他7個已知的合成基因組合在一起，能夠合成巴卡亭III分子，進一步促成了紫杉醇異源合成。
「這是迄今為止最短的紫杉醇異源合成路線，這條路線比歐美國家研究出的路徑跑的更快。」雷曉光說。這一研究成果成功突破了紫杉醇生物合成技術的封鎖線，也突破了用合成生物學技術實現紫杉醇綠色可持續生物製造的關鍵瓶頸。
為紫杉醇綠色製造鋪平道路
美國科學院院士、美國麻省理工學院教授Gregory Stephanopoulos是閆建斌博士後期間的指導教師，他長期從事紫杉醇生物合成研究。
他介紹，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，閆建斌課題組在《科學》雜誌上發表的論文確實是一項極其重要的成就，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闢了道路；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。」Gregory Stephanopoulos說。
美國科學院院士、瑞典查爾姆斯理工大學終身教授Jens Nielsen說：「植物產生的天然產物在醫藥、食品和農業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鑑定。這阻礙了我們生產足夠數量的寶貴化學物質來造福人類和社會的能力。」
Nielsen認為，閆建斌等人的這一發現是對複雜天然產物生物合成的理解的重大突破，它將使我們有能力大規模生產其他有價值的天然產物，從而開發出有價值的新藥。
「紅豆杉中紫杉醇的含量大概為萬分之一到萬分之三，且提高其含量十分困難。但當我們將生物合成技術用於比較容易操作的普通植物之中，可以大大加快育種程序和效率，紫杉醇的提取成本也會大幅下降。」閆建斌表示，該研究成果使得從普通作物中提取紫杉醇成為可能，就好像「借腹生子」，得益於普通作物生長週期短、種植成本低等特性，紫杉醇的提取效率也會顯著提高。
雷曉光說，利用合成生物學技術，讓模式生物如酵母等生產紫杉醇，可以獲得廉價的可持續的產品。下一步，他們將繼續攻堅克難，也將會和更多跨學科團隊合作開展應用研究。「異源提取紫杉醇這一目標的實現，預示著紫杉醇藥品價格有望下降。」
截至目前，在紫杉醇合成通路已鑑定的合成基因中，我國已擁有3個關鍵基因的自主智慧財產權。「這些成果不僅對指導紅豆杉遺傳育種和種質資源的高效利用具有重要意義，更能夠為我國紫杉醇合成底盤改造提供資料和專利保障，為我國的紫杉醇綠色製造產業化鋪平道路。」閆建斌說。
趙國屏認為，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，標誌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鬥近二十年所達到的裡程碑式新高度。
相關論文資訊：https://doi.org/10.1126/science.adj3484