引言
紫杉醇是一種眾所周知的抗癌化合物。它的生物合成包括形成一個高度功能化的二萜核心骨架(baccatin III)和隨後的苯基異絲氨酸側鏈的組裝。儘管經過半個世紀的深入研究，baccatin III的完整生物合成途徑仍然未知。
2024年1月25日，中國農業科學院農業基因組研究所閆建斌及北京大學雷曉光共同通訊在Science線上發表題為”Characterization and heterologous reconstitution of Taxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III“的研究論文，該研究發現了一種雙功能細胞色素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環形成的酶機制。該研究建立了基於紫杉素（taxusin）生物合成途徑的篩選策略，並發現了負責紫杉烷氧化C9位置(T9αH)的酶。最後，該研究在菸草中人工重組了一種生產baccatin III的生物合成途徑。
總之，該研究成功鑑定了紫杉醇生物途徑的關鍵缺失酶，揭示了紅豆杉催化含氧四元環分子形成的全新機制，發現了紫杉醇異源生物合成的核心基因，實現了紫杉醇核心前體baccatin III在菸草中的異源合成。該研究成果解決了紫杉醇生物合成研究中的關鍵瓶頸問題，是植物天然產物生物合成領域中的重大突破，為透過合成生物學的手段實現紫杉醇的高效、可持續生產鋪平了道路，具有極高的科學創新性與應用價值。
紫杉醇來源於紅豆杉科紅豆杉屬植物的次生代謝，已被臨床用於治療多種癌症。紫杉醇含有結構複雜的6-8-6三環碳骨架，包含9個立體中心，1個顯著的氧烷環基序和1個苯異絲氨酸鏈。紫杉醇可以穿過微管壁的奈米孔，與微管管腔表面的微管蛋白相互作用，破壞微管動力學，從而觸發對癌細胞的細胞毒性作用。三環碳骨架的整體構象硬化是由紫杉醇的氧烷環產生的。
目前用於生產紫杉醇的一種策略是化學半合成，即從植物細胞培養物或紅豆杉的原始樹木生物量中分離出紫杉醇前體，如baccatin III，然後化學轉化為紫杉醇。這種半合成策略嚴重依賴自然資源和紅豆杉植物的人工種植，無法滿足日益增長的市場需求。以綠色和可持續的方式生產紫杉醇的生物合成策略已經變得非常有吸引力。
在紅豆杉植物中，TOT1負責氧乙烷的形成（Credit: Science ）
自1971年首次發現紫杉醇結構以來，闡明其生物合成途徑一直是天然產物研究中的一個具有挑戰性的任務。迄今為止，大約有20種可能的酶促反應被報道。反應步驟可分為三個關鍵過程，包括從底物香葉基焦磷酸(GGPP)形成4(20)-烯-5α-醇片段的紫杉烷骨架，透過C4和C20雙鍵的環氧化生物合成baccatin III，以及將苯基異絲氨酸鏈連線到baccatin III的C13位置生成紫杉醇。C13側鏈的形成及其與baccatin III結合生成紫杉醇的研究已經得到了很好的研究。然而，形成baccatin III的幾個基本步驟仍然未知，特別是氧烷環的形成和C9的氧化。因此，紫杉醇生物合成的上游和下游步驟無法連線，迄今為止缺乏完整的紫杉醇生物合成途徑。
該研究發現了一種雙功能細胞色素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環形成的酶機制。該研究建立了基於紫杉素（taxusin）生物合成途徑的篩選策略，並發現了負責紫杉烷氧化C9位置(T9αH)的酶。最後，該研究在菸草中人工重組了一種生產baccatin III的生物合成途徑。
5α-乙醯基4,20烯在TOT1介導的氧乙烷生成反應中是不可缺少的（Credit: Science ）
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3484
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“iNature”
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