紫杉醇是一种众所周知的抗癌化合物。它的生物合成包括形成一个高度功能化的二萜核心骨架(baccatin III)和随后的苯基异丝氨酸侧链的组装。尽管经过半个世纪的深入研究，baccatin III的完整生物合成途径仍然未知。
2024年1月25日，中国农业科学院农业基因组研究所闫建斌及北京大学雷晓光共同通讯在Science 在线发表题为”Characterization and heterologous reconstitution of Taxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III“的研究论文，该研究发现了一种双功能细胞色素P450酶(Taxane oxetanase, TOT)，它催化紫杉醇oxetane形成中的氧化重排，代表了以前未知的oxetane环形成的酶机制。该研究建立了基于紫杉素（taxusin）生物合成途径的筛选策略，并发现了负责紫杉烷氧化C9位置(T9αH)的酶。最后，该研究在烟草中人工重组了一种生产baccatin III的生物合成途径。
总之，该研究成功鉴定了紫杉醇生物途径的关键缺失酶，揭示了红豆杉催化含氧四元环分子形成的全新机制，发现了紫杉醇异源生物合成的核心基因，实现了紫杉醇核心前体baccatin III在烟草中的异源合成。该研究成果解决了紫杉醇生物合成研究中的关键瓶颈问题，是植物天然产物生物合成领域中的重大突破，为通过合成生物学的手段实现紫杉醇的高效、可持续生产铺平了道路，具有极高的科学创新性与应用价值。
紫杉醇来源于红豆杉科红豆杉属植物的次生代谢，已被临床用于治疗多种癌症。紫杉醇含有结构复杂的6-8-6三环碳骨架，包含9个立体中心，1个显著的氧烷环基序和1个苯异丝氨酸链。紫杉醇可以穿过微管壁的纳米孔，与微管管腔表面的微管蛋白相互作用，破坏微管动力学，从而触发对癌细胞的细胞毒性作用。三环碳骨架的整体构象硬化是由紫杉醇的氧烷环产生的。
目前用于生产紫杉醇的一种策略是化学半合成，即从植物细胞培养物或红豆杉的原始树木生物量中分离出紫杉醇前体，如baccatin III，然后化学转化为紫杉醇。这种半合成策略严重依赖自然资源和红豆杉植物的人工种植，无法满足日益增长的市场需求。以绿色和可持续的方式生产紫杉醇的生物合成策略已经变得非常有吸引力。
在红豆杉植物中，TOT1负责氧乙烷的形成（图源自Science ）
自1971年首次发现紫杉醇结构以来，阐明其生物合成途径一直是天然产物研究中的一个具有挑战性的任务。迄今为止，大约有20种可能的酶促反应被报道。反应步骤可分为三个关键过程，包括从底物香叶基焦磷酸(GGPP)形成4(20)-烯-5α-醇片段的紫杉烷骨架，通过C4和C20双键的环氧化生物合成baccatin III，以及将苯基异丝氨酸链连接到baccatin III的C13位置生成紫杉醇。C13侧链的形成及其与baccatin III结合生成紫杉醇的研究已经得到了很好的研究。然而，形成baccatin III的几个基本步骤仍然未知，特别是氧烷环的形成和C9的氧化。因此，紫杉醇生物合成的上游和下游步骤无法连接，迄今为止缺乏完整的紫杉醇生物合成途径。
该研究发现了一种双功能细胞色素P450酶(Taxane oxetanase, TOT)，它催化紫杉醇oxetane形成中的氧化重排，代表了以前未知的oxetane环形成的酶机制。该研究建立了基于紫杉素（taxusin）生物合成途径的筛选策略，并发现了负责紫杉烷氧化C9位置(T9αH)的酶。最后，该研究在烟草中人工重组了一种生产baccatin III的生物合成途径。
5α-乙酰基4,20烯在TOT1介导的氧乙烷生成反应中是不可缺少的（图源自Science ）
基因组所研究员闫建斌和北京大学雷晓光教授为论文的共同通讯作者，基因组所硕士毕业生蒋彬、北京大学高磊特聘副研究员、北京大学博士生王海军、基因组所博士生孙亚平为该论文的共同第一作者。基因组所张晓林助理研究员、北京大学博士生柯翰、基因组所博士后刘圣超、加利福尼亚大学洛杉矶分校博士后马鹏琛、基因组所廖庆刚助理研究员、基因组所科研助理王跃、基因组所博士生汪欢、基因组所博士生刘煜耿、基因组所杜然副研究员、加利福尼亚大学洛杉矶分校博士后Torben Rogge、基因组所李伟研究员、云南师范大学尚轶教授、加利福尼亚大学洛杉矶分校K. N. Houk教授、基因组所熊兴耀研究员提供了重要帮助。清华大学谢道昕教授以及基因组所黄三文研究员为该研究提出了重要指导。
该研究得到了中华人民共和国科学技术部、国家自然科学基金委员会、美国国立卫生研究院、中国农业科学院、北京分子科学国家实验室、北大-清华生命科学联合研究中心、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。
参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3484
