紫杉醇，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(jià)格一直居高不下。
珍稀瀕危植物紅豆杉。受訪者供圖
北京時(shí)間2024年1月26日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組研究所（以下簡稱“基因組所”）領(lǐng)銜，聯(lián)合北京大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)外六家單位，在《科學(xué)》（Science）上以長文形式發(fā)表最新研究論文，有望讓抗癌明星藥價(jià)格大幅下降。
研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個(gè)缺失的關(guān)鍵酶“T9αH”“TOT”，闡明了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子——紫杉烷氧雜環(huán)丁烷的形成機(jī)制，打通了紫杉醇生物合成途徑。
“這一研究成果結(jié)束了闡明紫杉醇生物合成途徑的漫長研究歷史，標(biāo)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(gòu)方面的教科書式的突破；也生動(dòng)代表著我國一批中青年科學(xué)家，在合成生物學(xué)領(lǐng)域探索奮斗近二十年所達(dá)到的里程碑式新高度。”中國科學(xué)院院士趙國屏說。
抗癌奇藥源自珍稀瀕危“國寶”
據(jù)國家癌癥中心最新數(shù)據(jù)顯示，我國的癌癥新發(fā)病例和死亡人數(shù)均位居全球第一，遠(yuǎn)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(chǎn)物藥物，紫杉醇廣泛應(yīng)用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌等多種癌癥的臨床治療，也是現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的為數(shù)不多的可以控制癌細(xì)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(xué)報(bào)》，紫杉醇是一種結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且獨(dú)特的四環(huán)二萜類天然產(chǎn)物，它僅來源于珍稀瀕危裸子植物紅豆杉。
紅豆杉在地球上已經(jīng)生存了250萬年，是第四紀(jì)冰川時(shí)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(jí)珍稀瀕危保護(hù)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(jié)合化學(xué)半合成獲得。”閆建斌介紹，通過采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(xué)合成過程，在前體分子上接上一條化學(xué)合成的側(cè)鏈，從而獲得紫杉醇原料藥。
其中，化學(xué)半合成過程技術(shù)成熟，成本可控。決定紫杉醇生產(chǎn)成本的依然是關(guān)鍵前體物質(zhì)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(shí)，紫杉醇類物質(zhì)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(gè)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(shí)造成了紫杉醇藥物生產(chǎn)成本昂貴，藥物供給很難滿足我國日益嚴(yán)峻的癌癥防控需要，我國癌癥患者不得不承受昂貴的治療費(fèi)用的局面，還可能引發(fā)生態(tài)破壞和耕地占用等諸多問題。
紅豆杉已被全世界42個(gè)國家稱為“國寶”，并且納入了《瀕危野生動(dòng)植物種國際貿(mào)易公約》，各國間進(jìn)出口交易紅豆杉材料受到嚴(yán)格禁止或限制。
閆建斌說，隨著合成生物學(xué)與綠色生物制造技術(shù)的發(fā)展，將紅豆杉中編碼紫杉醇合成的基因?qū)胛⑸锘蛴闷渌参镏挟愒瓷a(chǎn)紫杉醇，成為了最具潛力的紫杉醇可持續(xù)生產(chǎn)路線。
然而，“紫杉醇異常復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其生物合成途徑解析的空前難度。在過去數(shù)十年的時(shí)間里，歐美國家已解析了合成途徑涉及的多個(gè)酶，但仍因部分關(guān)鍵功能基因未被鑒定，導(dǎo)致合成通路不完整。”趙國屏說。
論文作者、中國科學(xué)院院士黃三文告訴《中國科學(xué)報(bào)》，世界各國，尤其是癌癥大國都在積極推動(dòng)相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國自上世紀(jì)60年代開始，一直主導(dǎo)著紫杉醇的科技前沿，美國科學(xué)家們最早從紅豆杉分離和鑒定了紫杉醇，首次闡明了紫杉醇的獨(dú)特抗癌機(jī)理，成功開發(fā)了巴卡亭III生產(chǎn)紫杉醇的半合成路線，實(shí)現(xiàn)了紫杉醇的商業(yè)化。
“此前，紫杉醇生物合成領(lǐng)域的前沿突破主要由歐美國家的科學(xué)家主導(dǎo)完成。”中國科學(xué)院院士鄧子新說，全球共鑒定出近20個(gè)紫杉醇合成相關(guān)基因，全部由歐美研究團(tuán)隊(duì)完成。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。
填補(bǔ)紫杉醇生物合成通路空白
“我國要在紫杉醇綠色制造的道路上走的好，滿足人民群眾的健康需要，只能也必須靠自主研發(fā)、迎難而上。”閆建斌說，最先進(jìn)的紫杉醇提取技術(shù)、核心的紅豆杉細(xì)胞生產(chǎn)技術(shù)和基因工程技術(shù)等，依然牢牢掌控在歐美制藥公司的手中。
論文共同通訊作者、北京大學(xué)教授雷曉光也高度關(guān)注紫杉醇的生物合成研究。早在2019年，雷曉光和閆建斌就聯(lián)手開展相關(guān)研究。
雷曉光告訴《中國科學(xué)報(bào)》，紫杉醇的生物合成途徑高度復(fù)雜，需要經(jīng)歷多次羥基化、酰基化、氧化重拍等酶促反應(yīng)，才能最終形成。雖然合成途徑中，側(cè)鏈形成及其與巴卡亭III結(jié)合產(chǎn)生紫杉醇的過程已清晰，但生成巴卡亭III的幾個(gè)必要步驟不清楚，特別是催化四元氧雜環(huán)形成和C9位氧化的生物酶一直未知。這導(dǎo)致半個(gè)世紀(jì)以來，完整的紫杉醇生物合成途徑難以解析，成為領(lǐng)域內(nèi)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2021年率先繪制出國際首張染色體級(jí)別的南方紅豆杉高質(zhì)量參考基因組圖譜，鑒定出紅豆杉獨(dú)有的紫杉醇生物合成相關(guān)基因家族和首個(gè)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(xué)藍(lán)圖和關(guān)鍵候選基因。
閆建斌和雷曉光都向記者強(qiáng)調(diào)：“這項(xiàng)工作涉及到跨學(xué)科領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)的合作。”利用他們聯(lián)手建立的基于生物合成中間體的酶學(xué)平臺(tái)，通過大量篩選試驗(yàn)，從58個(gè)關(guān)鍵候選基因中發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因編碼的蛋白酶可以直接催化四元氧雜環(huán)形成。
閆建斌說：“傳統(tǒng)上，人們會(huì)認(rèn)為三元環(huán)是四元環(huán)發(fā)生的前提，但這一未知酶的發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的認(rèn)知，三元環(huán)和四元環(huán)是同時(shí)發(fā)生的。”這一套全新的反應(yīng)機(jī)制有效填補(bǔ)了擴(kuò)展反應(yīng)機(jī)制的缺失，重塑了人類對于含氧四元環(huán)結(jié)構(gòu)分子反應(yīng)機(jī)制的理解。
雷曉光告訴《中國科學(xué)報(bào)》，為了鑒定C9位的氧化酶，他們結(jié)合創(chuàng)新的篩選方法，從17個(gè)候選基因中發(fā)現(xiàn)了催化C9位氧化的基因。利用人工異源合成途徑構(gòu)建策略，他們將此前發(fā)現(xiàn)的2個(gè)基因同其他7個(gè)已知的合成基因組合在一起，能夠合成巴卡亭III分子，進(jìn)一步促成了紫杉醇異源合成。
紅豆杉與紫杉醇關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
“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(shù)的封鎖線，也突破了用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫杉醇綠色可持續(xù)生物制造的關(guān)鍵瓶頸。
為紫杉醇綠色制造鋪平道路
美國科學(xué)院院士、美國麻省理工學(xué)院教授Gregory Stephanopoulos是閆建斌博士后期間的指導(dǎo)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(gè)懸而未決的問題。在這一背景下，閆建斌課題組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文確實(shí)是一項(xiàng)極其重要的成就，填補(bǔ)了紫杉醇合成途徑的空白。
“除了對基礎(chǔ)科學(xué)的重要貢獻(xiàn)之外，這一進(jìn)展還有兩個(gè)重要影響。首先，它為更有效、更廉價(jià)地合成紫杉醇藥物開辟了道路；同時(shí)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(jī)遇。”Gregory Stephanopoulos說。
美國科學(xué)院院士、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)終身教授Jens Nielsen說：“植物產(chǎn)生的天然產(chǎn)物在醫(yī)藥、食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(xué)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(xué)物質(zhì)來造福人類和社會(huì)的能力。”
Nielsen認(rèn)為，閆建斌等人的這一發(fā)現(xiàn)是對復(fù)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(jià)值的天然產(chǎn)物，從而開發(fā)出有價(jià)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(dāng)我們將生物合成技術(shù)用于比較容易操作的普通植物之中，可以大大加快育種進(jìn)程和效率，紫杉醇的提取成本也會(huì)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”，得益于普通作物生長周期短、種植成本低等特性，紫杉醇的提取效率也會(huì)顯著提高。
雷曉光說，利用合成生物學(xué)技術(shù)，讓模式生物如酵母等生產(chǎn)紫杉醇，可以獲得廉價(jià)的可持續(xù)的產(chǎn)品。下一步，他們將繼續(xù)攻堅(jiān)克難，也將會(huì)和更多跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作開展應(yīng)用研究。“異源提取紫杉醇這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，預(yù)示著紫杉醇藥品價(jià)格有望下降。”
截至目前，在紫杉醇合成通路已鑒定的合成基因中，我國已擁有3個(gè)關(guān)鍵基因的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。“這些成果不僅對指導(dǎo)紅豆杉遺傳育種和種質(zhì)資源的高效利用具有重要意義，更能夠?yàn)槲覈仙即己铣傻妆P改造提供數(shù)據(jù)和專利保障，為我國的紫杉醇綠色制造產(chǎn)業(yè)化鋪平道路。”閆建斌說。
趙國屏認(rèn)為，這一研究成果結(jié)束了闡明紫杉醇生物合成途徑的漫長研究歷史，標(biāo)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(gòu)方面的教科書式的突破；也生動(dòng)代表著我國一批中青年科學(xué)家，在合成生物學(xué)領(lǐng)域探索奮斗近二十年所達(dá)到的里程碑式新高度。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj3484
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