2019年10月24日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组在国际学术期刊 Nature Communications 在线发表了题为 "Chloroplastic metabolic engineering coupled with isoprenoid pool enhancement for committed taxanes biosynthesis in Nicotiana benthamiana" 的研究论文。该研究首次在植物底盘中实现了紫杉醇关键中间体5a-羟基紫杉二烯的异源合成。
紫杉醇是从红豆杉树皮中分离到的一种具有抗癌活性的珍稀二萜类化合物，是广泛用于多种癌症治疗的临床一线药物。紫杉醇在红豆杉树皮中的含量仅为干重的万分之一左右，目前主要依赖于消耗红豆杉资源的半合成方法获得，远不能满足临床需求。利用合成生物技术，构建紫杉醇的人工生物合成系统有望解决这一问题。以微生物底盘实现紫杉醇中间体的合成曾取得一些进展，但近年来该类工作面临重重困难：紫杉醇的生物合成途径异常复杂，包括19步生化反应，近半数涉及细胞色素P450酶参与，这些酶的功能性表达对微生物底盘而言是一项巨大的挑战。与微生物底盘相比，植物底盘在膜蛋白表达、前体供应、产物耐受、分区化合成等方面具有明显的优势。尽管如此，迄今为止仅紫杉醇合成的第一步紫杉二烯在植物底盘中有成功的报道，细胞色素P450酶参与的紫杉醇中间体在植物底盘中尚无成功的先例。
美丽的红豆杉树
在本研究中，研究者将紫杉二烯合酶（TS）、紫杉二烯5α-羟化酶（T5H）及其还原酶(CPR)导入了本氏烟草体系中。通过荧光共聚焦显微检测发现这些酶在细胞中定位于不同的区域，这种不同的分区是此前P450酶参与的紫杉醇中间体在植物体系中未能成功合成的关键所在。通过叶绿体分区工程化策略，作者将紫杉二烯-5α-羟化酶及细胞色素P450还原酶进行叶绿体定位改造，保证GGPP-TS-T5H/CPR代谢通路的空间一致性，成功实现了5α-羟基紫杉二烯的合成，产量为0.9 μg/g鲜重叶片。进一步通过选择性阻断MEP和MVA途径实验，证实了在烟草体系中紫杉烷母核主要来源于MEP途径，明确了DXS是在烟草中合成紫杉醇重要的工程化靶点，通过共强化DXS和GGPPS可以将紫杉二烯的产量提高10倍至56 μg/g鲜重水平，5α-羟基紫杉二烯的产量提高至1.3 μg/g鲜重水平。本研究为复杂天然产物的异源合成提供了一种基于植物底盘的成功案例，所建立的工程化烟草体系，为进一步解析紫杉醇的未知合成途径提供了可能。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究员为该论文的通讯作者，李建华博士为本研究论文的第一作者，外籍博士后Ishmael Mutanda 及河南大学硕士研究生王凯博参与该项研究工作。特别感谢中国科学院分子植物科学卓越中心王佳伟研究员，上海辰山植物园科研中心杨蕾研究员给予的帮助。该研究得到国家重点研发计划、中国科学院先导B及上海市自然基金的资助。
王勇 研究员
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