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。

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院（以下簡稱院）熱帶作物品種資源研究所喬飛研究員團隊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）生物合成途徑的關系，為這種廣譜抗癌藥物的生物合成奠定了基礎。相關研究最近發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

瀕臨滅絕的“抗癌神樹”

該論文共同第一作者喬飛告訴《中國科學報》，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藥典，也獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局的批準。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?；瘜W合成也未能解決其商業(yè)化生產(chǎn)的問題，導致該藥物價格昂貴，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題，必須從其生物合成的分子機制入手。就這樣，海南香榧進入了喬飛團隊的視線。

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

中國林科院熱帶林業(yè)研究所研究員李一德曾撰文，20世紀70年代，我國開展了從野生植物中提取和篩選抗癌藥物的研究。中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所與中國人民解放軍第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癌細胞有良好的抑制作用，且療效顯著。海南產(chǎn)的香榧質量比云南產(chǎn)的好很多。該研究成果獲1985年國家科技進步一等獎。

經(jīng)證明，海南香榧樹體內(nèi)天然合成的酯類生物堿種類最多，共有11種，尤其是在動物和臨床試驗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，對各型白血病、急性淋巴瘤有特效。

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

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

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

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題，從2011年開始，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象，希望分析其合成途徑，尋找相關關鍵基因。

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

“已知hahcetaxel生物堿的生物合成分為三個主要途徑：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，中游途徑對碳骨架進行變構化，將碳骨架“扭曲”成不同的結構，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”，使結構活躍起來。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，尋找關鍵氨基酸、功能注釋、進化分析等，推測它們可能屬于疾病過程相關蛋白家族?！眴田w解釋說，病害過程相關蛋白原本是一類功能不明確的蛋白質，往往在植物遭受病害時大量產(chǎn)生，因而得名。

利用全長轉錄組，他們一一驗證了與疾病進展相關的蛋白家族成員。經(jīng)過長期、反復的實驗研究，他們發(fā)現(xiàn)了PIAs碳骨架形成的關鍵酶PSS。然后他們在PIAs上游生物合成的七個步驟中對所有30個候選基因進行了功能驗證，打通了整個合成途徑。

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

自從半個多世紀前發(fā)現(xiàn)多巴胺以來，人們逐漸確定它來源于大多數(shù)動植物中的酪氨酸。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待解之謎。

孫華鵬表示，經(jīng)過多輪篩選和驗證實驗，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。在疾病過程相關蛋白的催化下，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生產(chǎn)哈西紫杉醇生物堿類藥物，不僅可以降低藥品價格，還可以減少對野生植物的采集，從而保護野生植物?！眴田w說。

但喬飛認為，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。因此，他們準備效仿美國、韓國利用紅豆杉細胞反應器生產(chǎn)紫杉醇的方法，開發(fā)利用海南榧細胞工程技術，打造適合液體懸浮培養(yǎng)的細胞系，誘導生產(chǎn)頭孢紫杉醇生物堿。據(jù)悉，這項工作已在實驗室階段取得進展。

“下一步是研究如何提高產(chǎn)量。此外，從實驗室研究的錐形瓶到工業(yè)發(fā)酵罐，還有很多工藝需要開發(fā)?！眴田w告訴《中國科學報》，目前類似的發(fā)酵工藝只有少數(shù)國家掌握。由于屬于技術秘密，沒有資料可以參考。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，為海南香榧的保護和發(fā)展奠定了堅實的基礎。

“我國熱帶地區(qū)植物資源豐富，蘊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)代生物技術就可以與基因工程相結合，細胞工程等技術實現(xiàn)藥物現(xiàn)代化生產(chǎn)?！眴田w說。（李晨）