楤木抗癌(抗癌的木頭)

三尖杉酯堿生物堿具有廣譜抗癌作用，臨床主要用于治療急性白血病。然而，幾乎所有天然產(chǎn)生這些生物堿的植物都瀕臨滅絕。因此，科學(xué)家們正在努力尋找人工合成哈西紫杉醇生物堿的方法。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱院）熱帶作物品種資源研究所喬飛研究員團(tuán)隊(duì)首次解析榧中頭杉醇生物堿碳骨架分子的生物合成途徑vulgare，并闡明了多巴胺與4-羥基苯丙醛（4-HDCA）生物合成途徑的關(guān)系，為這種廣譜抗癌藥物的生物合成奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究最近發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

瀕臨滅絕的“抗癌神樹(shù)”

該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，高哈拉利紫杉醇生物堿和三尖杉酯堿已被納入中國(guó)藥典，也獲得了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)。臨床上使用高三尖杉酯堿。

然而，目前三尖杉醇生物堿主要從三尖杉科植物中提取。該科植物主要有三尖杉屬和香榧屬，它們生長(zhǎng)極其緩慢，生境狹窄。其中大多數(shù)都處于瀕臨滅絕的邊緣。

而且這些植物中的哈西紫杉醇生物堿含量極低，很難大量提取。化學(xué)合成也未能解決其商業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題，導(dǎo)致該藥物價(jià)格昂貴，成為其廣泛臨床使用的一大障礙。

為了解決三尖杉酯堿的人工合成問(wèn)題，必須從其生物合成的分子機(jī)制入手。就這樣，海南香榧進(jìn)入了喬飛團(tuán)隊(duì)的視線。

海南榧主要分布在海南島，是我國(guó)特有的瀕危植物。由于海南香榧是我國(guó)含抑癌生物堿種類最多、含量最高的樹(shù)種，從其提取的藥物對(duì)各類腫瘤、白血病、急性淋巴瘤等均有特效，被認(rèn)為是最具潛力的藥物。天然抗癌藥物的來(lái)源，是晚期癌癥的“最后一道防線”，因此被譽(yù)為“抗癌奇樹(shù)”。

中國(guó)林科院熱帶林業(yè)研究所研究員李一德曾撰文，20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)展了從野生植物中提取和篩選抗癌藥物的研究。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所與中國(guó)人民解放軍第187醫(yī)院等單位聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，海南香榧的兩種成分和高三尖杉酯堿對(duì)癌細(xì)胞有良好的抑制作用，且療效顯著。海南產(chǎn)的香榧質(zhì)量比云南產(chǎn)的好很多。該研究成果獲1985年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

經(jīng)證明，海南香榧樹(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)物和臨床試驗(yàn)中具有顯著抗腫瘤作用的4種酯類生物堿：——三尖杉酯堿、三尖杉酯堿、脫氧三尖杉酯堿、異三尖杉酯堿在海南香榧中含量最高，具有較顯著的抗腫瘤作用，對(duì)各型白血病、急性淋巴瘤有特效。

但海南粗生長(zhǎng)緩慢，數(shù)量稀疏，散生于海南島熱帶雨林中。喬飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，20世紀(jì)70年代，熱科院植物園種植了兩棵海南榧樹(shù)。然而，目前樹(shù)干的直徑只有20厘米。

“海南各地分布著約數(shù)千株香榧樹(shù)，已被列為國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物。而且，海南香榧的開(kāi)花和成熟需要200多年的時(shí)間?！痹诤Ｄ洗蚬?2年的喬飛，只看到這兩棵成年毛榧樹(shù)已經(jīng)結(jié)果了。海南香榧是雌雄異體的，那些分散的雌樹(shù)往往因周圍缺乏雄樹(shù)而無(wú)法受精和結(jié)果。

如何在不破壞野生植物資源的情況下大量獲取抗癌藥物？這成為了喬飛團(tuán)隊(duì)要解決的難題。

分析碳骨架合成途徑

數(shù)據(jù)表明，三尖杉酯堿生物堿屬于苯乙基異喹啉生物堿（PIA）。PIA是一類重要的天然產(chǎn)物，主要有秋水仙堿、頭孢噻嗪和同型胞嘧啶三種類型。這類化合物具有相同的碳骨架，但其碳骨架的生物合成途徑尚未詳細(xì)概述。

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華鵬表示，為了解決頭孢紫杉醇生物堿的人工合成問(wèn)題，從2011年開(kāi)始，他們選擇了植物頭孢紫杉醇植物中生物堿含量最高。以海南香榧為研究對(duì)象，希望分析其合成途徑，尋找相關(guān)關(guān)鍵基因。

然而，作為裸子植物，海榧的基因組巨大，估計(jì)有20G左右，目前尚未獲得可供參考的基因組圖譜。然而，對(duì)于hahcetaxel生物堿的生物合成途徑的分析在國(guó)際上尚屬空白，沒(méi)有參考數(shù)據(jù)。這給分析合成途徑和尋找關(guān)鍵基因帶來(lái)了巨大的困難。

“已知hahcetaxel生物堿的生物合成分為三個(gè)主要途徑：上游、中間和下游途徑?！眴田w表示，第一步，上游途徑合成碳骨架，這與PIAs中基本相同；第二步，中游途徑對(duì)碳骨架進(jìn)行變構(gòu)化，將碳骨架“扭曲”成不同的結(jié)構(gòu)，形成母核；第三步，下游通路在母核上添加一條由小分子組成的“小尾巴”，使結(jié)構(gòu)活躍起來(lái)。從而成為不同類型的三尖杉酯堿生物堿。

“我們從上游通路入手，尋找關(guān)鍵氨基酸、功能注釋、進(jìn)化分析等，推測(cè)它們可能屬于疾病過(guò)程相關(guān)蛋白家族?！眴田w解釋說(shuō)，病害過(guò)程相關(guān)蛋白原本是一類功能不明確的蛋白質(zhì)，往往在植物遭受病害時(shí)大量產(chǎn)生，因而得名。

利用全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組，他們一一驗(yàn)證了與疾病進(jìn)展相關(guān)的蛋白家族成員。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)了PIAs碳骨架形成的關(guān)鍵酶PSS。然后他們?cè)赑IAs上游生物合成的七個(gè)步驟中對(duì)所有30個(gè)候選基因進(jìn)行了功能驗(yàn)證，打通了整個(gè)合成途徑。

結(jié)果表明，哈西紫杉醇生物堿的碳骨架是由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)化合物4-HDCA與多巴胺縮合而成。

自從半個(gè)多世紀(jì)前發(fā)現(xiàn)多巴胺以來(lái)，人們逐漸確定它來(lái)源于大多數(shù)動(dòng)植物中的酪氨酸。然而，在能夠合成生物堿的植物中，尚未發(fā)現(xiàn)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。

孫華鵬表示，經(jīng)過(guò)多輪篩選和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，他們確定多酚氧化酶PPO家族在生物堿植物中起到催化多巴胺合成的作用。4-HDCA是肉桂酸羥基化形成的。在疾病過(guò)程相關(guān)蛋白的催化下，兩者縮合形成PIAs的碳骨架，完成上游通路。

從錐形瓶到工業(yè)發(fā)酵罐

“上游合成途徑的分析將極大地幫助我們利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)哈西紫杉醇生物堿類藥物，不僅可以降低藥品價(jià)格，還可以減少對(duì)野生植物的采集，從而保護(hù)野生植物?！眴田w說(shuō)。

但喬飛認(rèn)為，由于中下游通路尚未分析清楚，人工生物合成哈西紫杉醇生物堿類藥物還很遙遠(yuǎn)。因此，他們準(zhǔn)備效仿美國(guó)、韓國(guó)利用紅豆杉細(xì)胞反應(yīng)器生產(chǎn)紫杉醇的方法，開(kāi)發(fā)利用海南榧細(xì)胞工程技術(shù)，打造適合液體懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞系，誘導(dǎo)生產(chǎn)頭孢紫杉醇生物堿。據(jù)悉，這項(xiàng)工作已在實(shí)驗(yàn)室階段取得進(jìn)展。

“下一步是研究如何提高產(chǎn)量。此外，從實(shí)驗(yàn)室研究的錐形瓶到工業(yè)發(fā)酵罐，還有很多工藝需要開(kāi)發(fā)。”喬飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前類似的發(fā)酵工藝只有少數(shù)國(guó)家掌握。由于屬于技術(shù)秘密，沒(méi)有資料可以參考。他們只能一步步克服困難。

該工作為獲取該類生物堿提供了新的思路和方法，為海南香榧的保護(hù)和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“我國(guó)熱帶地區(qū)植物資源豐富，蘊(yùn)藏著豐富的遺傳資源。特別是藥用植物，很多珍稀遺傳資源還需要被發(fā)現(xiàn)。一旦遺傳資源和代謝途徑明確，現(xiàn)代生物技術(shù)就可以與基因工程相結(jié)合，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）