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海南粗榧。受訪者供圖

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，能天然產生這類生物堿的植物幾乎都已瀕臨滅絕。因此，科學家試圖找到人工合成三尖杉酯類生物堿的方法。

中國熱帶農業科學院（以下簡稱熱科院）熱帶作物品種資源研究所研究員喬飛團隊，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。相關研究近日發表于美國《國家科學院院刊》。

瀕臨滅絕的“抗癌奇木”

論文共同第一作者喬飛告訴《中國科學報》，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納入我國藥典，美國食品藥品監督管理局也批準高三尖杉酯堿在臨床使用。

不過當前，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。化學合成也未能解決其商業化生產的難題，導致該藥品價格昂貴，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題，還得從其生物合成的分子機制入手。海南粗榧就這樣進入了喬飛團隊的視線。

海南粗榧主要分布在海南島，是我國特有的瀕危植物。由于海南粗榧是國內含有抑瘤生物堿種類最多和含量最高的樹種，其提煉的藥物對各類腫瘤、白血病和急性淋巴癌有特殊療效，被認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”，因此被譽為“抗癌奇木”。

中國林業科學研究院熱帶林業研究所研究員李意德曾撰文，20世紀70年代，我國開展野生植物抗癌藥物提取篩選研究，中國林科院熱帶林業研究所與中國人民解放軍187醫院等單位聯合研究發現，海南粗榧中的三尖杉酯堿和高三尖杉酯堿這兩個成分具有良好的抑制癌細胞的作用，且產于海南的海南粗榧藥效比云南產的效果好很多。這項研究成果于1985年獲得了國家科學技術進步獎一等獎。

現已證明，海南粗榧樹體內天然合成的酯類生物堿種類最多，共有11種，尤其是在動物及臨床試驗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，對各類白血病及急性淋巴癌有特殊療效。

然而，海南粗榧生長緩慢、數量稀少，零星分布于海南島熱帶雨林之中。喬飛告訴《中國科學報》，20世紀70年代，熱科院植物園里種下了兩棵海南粗榧，然而至今樹干直徑只有20厘米。

“海南粗榧在全海南大約分布有幾千株，已經被列為國家二級保護植物。而且，海南粗榧開花成熟需要200多年的生長期。”已在海南工作12年的喬飛只見過兩株成年海南粗榧結果。海南粗榧雌雄異株，那些零星分布的雌樹，往往由于周圍缺乏雄樹而無法受精結果。

如何在大量獲取抗癌藥物的同時不破壞野生植物資源？這成為喬飛團隊要解決的難題。

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物，主要有3種類型：秋水仙堿、三尖杉堿和高刺酮堿。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勾勒出來。

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象，希望解析其合成通路，并找到相關的關鍵基因。

然而，作為一種裸子植物，海南粗榧基因組龐大，估計約有20G大小，目前尚未獲得可供參考的基因組圖譜。而對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，沒有可以參考的資料。這為解析合成通路、尋找關鍵基因帶來了巨大的困難。

“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，中游通路對碳骨架進行變構，把碳骨架“扭”成不同結構，形成母核；第三步，下游通路給母核加上一個小分子組成的“小尾巴”，使得該結構獲得活性，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，對關鍵氨基酸進行搜尋、功能注釋、進化分析等，推測其可能屬于病程相關蛋白家族。”喬飛解釋道，病程相關蛋白原來是一類作用不明晰的蛋白質，往往在植物遭受病害的條件下大量產生，故而得名。

借助全長轉錄組，他們對病程相關蛋白家族成員進行了逐個驗證。經過長期反復實驗研究，他們發現了PIAs碳骨架形成關鍵酶PSS。進而他們又對PIAs母核上游生物合成中7步共30個候選基因進行了全部的功能驗證，打通了整個合成通路。

結果發現，三尖杉酯類生物堿碳骨架由關鍵節點性化合物4-HDCA和多巴胺縮合而成。

自半個多世紀之前發現多巴胺以來，人們已經逐步明確其在多數動植物中均由酪氨酸衍生而來。但在能合成生物堿的植物中，人們并沒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待解之謎。

孫化鵬介紹，他們經過多輪篩選驗證實驗，明確了多酚氧化酶PPO家族承擔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。

從三角瓶到工業發酵罐

“上游合成通路的解析將極大幫助我們利用生物工程技術生產三尖杉酯類生物堿藥物，不僅可以降低藥物的價格，還可以減少從野外采集植物，從而保護野生植物。”喬飛說。

不過，喬飛認為，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。因此，他們準備效仿美國和韓國利用紅豆杉細胞反應器生產紫杉醇的方

法，研發利用海南粗榧細胞工程技術，創建適合液體懸浮培養的細胞系，誘導產生三尖杉酯類生物堿。據悉，這一工作已經在實驗室階段獲得了進展。

“接下來就是研究如何提高產量。此外，從三角瓶的實驗室研究放大到工業發酵罐，其間還有非常多的工藝需要研發。”喬飛告訴《中國科學報》，目前，類似的發酵工藝僅被少數幾個國家掌握，作為技術秘密沒有資料可以參考，他們只能一步步攻克難關。

這項工作為獲取該類生物堿提供了新思路和方法，為保護和開發海南粗榧奠定了堅實基礎。

“我國熱帶地區植物資源豐富，蘊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。基因資源、代謝通路明確后，即可結合現代生物技術，通過基因工程、細胞工程等技術，實現藥物現代化生產。”喬飛說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2209339120

（原標題《瀕危“抗癌奇木”的“煉藥”之路》）