“抗癌明星藥”生物合成為何能引發(fā)關(guān)注

“我病了3年，4萬(wàn)塊錢1瓶的藥我吃了3年，房子吃沒了，家人被我吃垮了?！彪娪啊段也皇撬幧瘛分幸欢卧捵尣簧偃虽粶I下，吃不起的“天價(jià)救命藥”背后是歐美制藥企業(yè)對(duì)于專利技術(shù)的壟斷。如何讓更多人能夠吃上“更便宜、更有效”的救命藥？自主研發(fā)是關(guān)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(guó)外技術(shù)壟斷，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）聯(lián)合北京大學(xué)、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)外6家單位開展技術(shù)攻關(guān)，在國(guó)際上率先實(shí)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(yīng)不足的問題。

前不久，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了閆建斌研究員與雷曉光教授等合作完成的最新研究成果，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，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。該研究成果標(biāo)志著我國(guó)在紫杉醇合成生物學(xué)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。

“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(yīng)用于癌癥治療、預(yù)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(yù)為“明星抗癌藥”，被廣泛應(yīng)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，但紅豆杉生長(zhǎng)速度緩慢，極為稀少，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出1公斤左右的紫杉醇，而治療一名卵巢癌患者，需要十多株成長(zhǎng)百年的紅豆杉樹。

那么，如何不依賴紅豆杉，實(shí)現(xiàn)紫杉醇的生物合成？這是擺在全世界科學(xué)家面前的一個(gè)難題。

自20世紀(jì)80年代起，科學(xué)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(guó)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(nèi)，全球上百個(gè)科研團(tuán)隊(duì)相繼投入到紫杉醇的生物全合成研究中，但均未能實(shí)現(xiàn)突破。

中國(guó)科學(xué)院院士趙國(guó)屏就認(rèn)為，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(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了生物合成途徑解析的空前難度。

經(jīng)過多年的探索，來自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的閆建斌團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜解決了這一世界級(jí)難題，找到了一條無(wú)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。

生物合成紫杉醇有多難

紫杉醇的生物合成途徑高度復(fù)雜，涉及羥化、酰化、環(huán)氧化等多個(gè)生化反應(yīng)和19個(gè)合成關(guān)鍵酶。

想要實(shí)現(xiàn)紫杉醇在異源系統(tǒng)中的生物合成，需要突破3個(gè)難點(diǎn)：一是找到紫杉醇關(guān)鍵生物合成酶；二是解析關(guān)鍵合成酶的催化機(jī)制；三是通過酶的組合實(shí)現(xiàn)異源重建生物合成路線。

自紫杉醇發(fā)現(xiàn)以來的半個(gè)世紀(jì)里，絕大多數(shù)紫杉醇合成相關(guān)基因均由歐美研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成。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，如美國(guó)的百時(shí)美施貴寶公司、法國(guó)的賽諾菲公司等。

中國(guó)本土研究突破始于首張南方紅豆杉基因組藍(lán)圖。2021年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的閆建斌團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜繪制了國(guó)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，揭示了紅豆杉合成抗癌藥物紫杉醇的遺傳基礎(chǔ)，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。相關(guān)研究成果以封面文章形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然植物》（Nature Plants）上。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步對(duì)紫杉醇生物合成關(guān)鍵候選基因進(jìn)行篩選，成功找到了紫杉醇生物合成途徑中的兩個(gè)缺失的關(guān)鍵酶，分別是催化紫杉烷C9氧化的酶“T9αH”和催化氧雜環(huán)丁烷環(huán)合成的細(xì)胞色素P450酶“TOT”。

“要從眾多的候選基因中找到最合適的酶，這項(xiàng)工作的難度無(wú)異于‘大海撈針’?！狈▏?guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校教授威廉·約翰·盧卡斯評(píng)價(jià)，“閆建斌團(tuán)隊(duì)做到了世界上許多著名科學(xué)家沒有做到的事情?！敝袊?guó)科學(xué)院院士謝道昕也評(píng)價(jià)“這項(xiàng)研究是經(jīng)歷了‘十年磨一劍’的艱難歷程才完成的”。

為了更快速鑒定出缺失的關(guān)鍵酶，閆建斌團(tuán)隊(duì)自主建立了基于植物底盤的高效多基因篩選方法，最終解決了這一難題。TOT1酶反應(yīng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，顛覆了30年來人類對(duì)于該結(jié)構(gòu)生成機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知，填補(bǔ)了僅在植物界中存在的環(huán)擴(kuò)張反應(yīng)生成含氧四元環(huán)結(jié)構(gòu)的分子機(jī)制的缺失。

研究人員利用人工異源合成途徑構(gòu)建策略，將這2個(gè)基因同其他7個(gè)已知的合成基因組合在一起，利用植物底盤實(shí)現(xiàn)了合成路線的人工重構(gòu)，成功在植物底盤中以9個(gè)關(guān)鍵合成酶生成了紫杉醇工業(yè)化生產(chǎn)前體巴卡亭Ⅲ，實(shí)現(xiàn)了紫杉醇的異源合成。

中國(guó)科學(xué)院院士陳曉亞認(rèn)為：“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(guān)鍵酶，揭示了紫杉醇氧雜環(huán)丁烷成環(huán)的酶學(xué)機(jī)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(shí)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑的重構(gòu)。該研究是植物代謝生物學(xué)與合成生物學(xué)領(lǐng)域的重大突破，為利用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫杉醇的綠色可持續(xù)生產(chǎn)鋪平了道路?！?

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)委員延斯·尼爾森說：“在閆建斌研究員的這項(xiàng)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(duì)復(fù)雜天然產(chǎn)物生物合成理解的重大突破，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?！?

趙國(guó)屏院士評(píng)論：“閆建斌研究員領(lǐng)銜完成的這一研究成果結(jié)束了闡明紫杉醇生物合成途徑的漫長(zhǎng)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(guó)一批中青年科學(xué)家，在合成生物學(xué)領(lǐng)域探索奮斗近20年所達(dá)到的里程碑式新高度?！敝袊?guó)科學(xué)院院士鄧子新也特別強(qiáng)調(diào)，該研究實(shí)現(xiàn)了紫杉醇合成生物學(xué)領(lǐng)域的引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)紫杉醇生物“智造”的自立自強(qiáng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有里程碑意義。

（作者系中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所工作人員）

編輯:月兒