三尖杉酯類生物堿具有廣譜抗癌作用，在臨床上主要用于急性白血病的治療。然而，能天然產(chǎn)生這類生物堿的植物幾乎都已瀕臨滅絕。因此，科學(xué)家試圖找到人工合成三尖杉酯類生物堿的方法。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱熱科院）熱帶作物品種資源研究所研究員喬飛團(tuán)隊(duì)，首次解析了海南粗榧三尖杉酯類生物堿的碳骨架分子的生物合成通路，并明確了多巴胺和4-羥基苯丙醛（4-HDCA）的生物合成途徑，為這一廣譜抗癌藥物的生物合成奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究近日發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

(資料圖片僅供參考)

瀕臨滅絕的“抗癌奇木”

論文共同第一作者喬飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，作為抗癌藥物，三尖杉酯類生物堿中的高三尖杉酯堿和三尖杉酯堿已經(jīng)納入我國(guó)藥典，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局也批準(zhǔn)高三尖杉酯堿在臨床使用。

不過(guò)當(dāng)前，三尖杉酯類生物堿主要提取自三尖杉科植物。該科植物主要有三尖杉和粗榧，生長(zhǎng)都極其緩慢，生境狹窄，多處于瀕危邊緣。

并且，這類植物中的三尖杉酯類生物堿含量極低，大量提取非常困難。化學(xué)合成也未能解決其商業(yè)化生產(chǎn)的難題，導(dǎo)致該藥品價(jià)格昂貴，成為其臨床上廣泛使用的主要障礙。

要想解決人工合成三尖杉酯堿的問(wèn)題，還得從其生物合成的分子機(jī)制入手。海南粗榧就這樣進(jìn)入了喬飛團(tuán)隊(duì)的視線。

海南粗榧主要分布在海南島，是我國(guó)特有的瀕危植物。由于海南粗榧是國(guó)內(nèi)含有抑瘤生物堿種類最多和含量最高的樹(shù)種，其提煉的藥物對(duì)各類腫瘤、白血病和急性淋巴癌有特殊療效，被認(rèn)為是最具潛力的天然抗癌藥源和晚期癌癥的“最后一道防線”，因此被譽(yù)為“抗癌奇木”。

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所研究員李意德曾撰文，20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)展野生植物抗癌藥物提取篩選研究，中國(guó)林科院熱帶林業(yè)研究所與中國(guó)人民解放軍187醫(yī)院等單位聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，海南粗榧中的三尖杉酯堿和高三尖杉酯堿這兩個(gè)成分具有良好的抑制癌細(xì)胞的作用，且產(chǎn)于海南的海南粗榧藥效比云南產(chǎn)的效果好很多。這項(xiàng)研究成果于1985年獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

現(xiàn)已證明，海南粗榧樹(shù)體內(nèi)天然合成的酯類生物堿種類最多，共有11種，尤其是在動(dòng)物及臨床試驗(yàn)上有顯著抑瘤作用的4種酯堿——三尖杉酯堿、高三尖杉酯堿、脫氧三尖杉酯堿和異三尖杉酯堿，在海南粗榧中含量最高，抑瘤效果更顯著，對(duì)各類白血病及急性淋巴癌有特殊療效。

然而，海南粗榧生長(zhǎng)緩慢、數(shù)量稀少，零星分布于海南島熱帶雨林之中。喬飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，20世紀(jì)70年代，熱科院植物園里種下了兩棵海南粗榧，然而至今樹(shù)干直徑只有20厘米。

“海南粗榧在全海南大約分布有幾千株，已經(jīng)被列為國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物。而且，海南粗榧開(kāi)花成熟需要200多年的生長(zhǎng)期。”已在海南工作12年的喬飛只見(jiàn)過(guò)兩株成年海南粗榧結(jié)果。海南粗榧雌雄異株，那些零星分布的雌樹(shù)，往往由于周?chē)狈π蹣?shù)而無(wú)法受精結(jié)果。

如何在大量獲取抗癌藥物的同時(shí)不破壞野生植物資源？這成為喬飛團(tuán)隊(duì)要解決的難題。

解析碳骨架合成通路

資料顯示，三尖杉酯類生物堿屬于苯乙基異喹啉類生物堿（PIAs）。PIAs是一類重要的天然產(chǎn)物，主要有3種類型：秋水仙堿、三尖杉?jí)A和高刺酮堿。該類化合物具有相同的碳骨架，但是其碳骨架的生物合成通路一直未能被詳細(xì)勾勒出來(lái)。

論文共同通訊作者、熱科院熱帶作物品種資源研究所助理研究員孫化鵬介紹，為解決三尖杉酯類生物堿人工合成的難題，2011年開(kāi)始，他們選擇三尖杉科植物中生物堿含量最高的海南粗榧作為研究對(duì)象，希望解析其合成通路，并找到相關(guān)的關(guān)鍵基因。

然而，作為一種裸子植物，海南粗榧基因組龐大，估計(jì)約有20G大小，目前尚未獲得可供參考的基因組圖譜。而對(duì)三尖杉酯類生物堿的生物合成通路的解析，在世界上尚屬空白，沒(méi)有可以參考的資料。這為解析合成通路、尋找關(guān)鍵基因帶來(lái)了巨大的困難。

“三尖杉酯類生物堿的生物合成已知分為上中下游三條主要通路。”喬飛介紹，第一步，上游通路合成碳骨架，這種骨架在PIAs中基本相同；第二步，中游通路對(duì)碳骨架進(jìn)行變構(gòu)，把碳骨架“扭”成不同結(jié)構(gòu)，形成母核；第三步，下游通路給母核加上一個(gè)小分子組成的“小尾巴”，使得該結(jié)構(gòu)獲得活性，從而成為不同類型的三尖杉酯類生物堿。

“我們從上游通路入手，對(duì)關(guān)鍵氨基酸進(jìn)行搜尋、功能注釋、進(jìn)化分析等，推測(cè)其可能屬于病程相關(guān)蛋白家族?！眴田w解釋道，病程相關(guān)蛋白原來(lái)是一類作用不明晰的蛋白質(zhì)，往往在植物遭受病害的條件下大量產(chǎn)生，故而得名。

借助全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組，他們對(duì)病程相關(guān)蛋白家族成員進(jìn)行了逐個(gè)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)了PIAs碳骨架形成關(guān)鍵酶PSS。進(jìn)而他們又對(duì)PIAs母核上游生物合成中7步共30個(gè)候選基因進(jìn)行了全部的功能驗(yàn)證，打通了整個(gè)合成通路。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三尖杉酯類生物堿碳骨架由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)性化合物4-HDCA和多巴胺縮合而成。

自半個(gè)多世紀(jì)之前發(fā)現(xiàn)多巴胺以來(lái)，人們已經(jīng)逐步明確其在多數(shù)動(dòng)植物中均由酪氨酸衍生而來(lái)。但在能合成生物堿的植物中，人們并沒(méi)有找到合成多巴胺的同源基因。這使得生物堿植物中多巴胺的生物合成成為一個(gè)待解之謎。

孫化鵬介紹，他們經(jīng)過(guò)多輪篩選驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，明確了多酚氧化酶PPO家族承擔(dān)著在生物堿植物中催化合成多巴胺的作用。而4-HDCA由肉桂酸羥基化形成。二者在病程相關(guān)蛋白催化之下，縮合形成了PIAs碳骨架，完成了上游通路。

從三角瓶到工業(yè)發(fā)酵罐

“上游合成通路的解析將極大幫助我們利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)三尖杉酯類生物堿藥物，不僅可以降低藥物的價(jià)格，還可以減少?gòu)囊巴獠杉参?，從而保護(hù)野生植物?！眴田w說(shuō)。

不過(guò)，喬飛認(rèn)為，由于中游和下游通路尚未解析，距離人工生物合成三尖杉酯類生物堿藥物尚遠(yuǎn)。因此，他們準(zhǔn)備效仿美國(guó)和韓國(guó)利用紅豆杉細(xì)胞反應(yīng)器生產(chǎn)紫杉醇的方法，研發(fā)利用海南粗榧細(xì)胞工程技術(shù)，創(chuàng)建適合液體懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞系，誘導(dǎo)產(chǎn)生三尖杉酯類生物堿。據(jù)悉，這一工作已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室階段獲得了進(jìn)展。

“接下來(lái)就是研究如何提高產(chǎn)量。此外，從三角瓶的實(shí)驗(yàn)室研究放大到工業(yè)發(fā)酵罐，其間還有非常多的工藝需要研發(fā)。”喬飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前，類似的發(fā)酵工藝僅被少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握，作為技術(shù)秘密沒(méi)有資料可以參考，他們只能一步步攻克難關(guān)。

這項(xiàng)工作為獲取該類生物堿提供了新思路和方法，為保護(hù)和開(kāi)發(fā)海南粗榧奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“我國(guó)熱帶地區(qū)植物資源豐富，蘊(yùn)含著豐富的基因資源。特別是藥用植物方面，很多珍稀基因資源仍有待挖掘?；蛸Y源、代謝通路明確后，即可結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)，通過(guò)基因工程、細(xì)胞工程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物現(xiàn)代化生產(chǎn)?！眴田w說(shuō)。（李晨）