要想高效合成分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗癌明星藥紫杉醇，人類還得向珍惜瀕危植物紅豆杉“取經(jīng)”。
7月15日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（深圳）基因組研究所（以下簡稱基因組所）和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)等合作，于《自然—植物》在線發(fā)表了南方紅豆杉染色體級別的高質(zhì)量參考基因組，并全面解析了紫杉醇生物合成的遺傳基礎(chǔ)。
難以為繼：抗癌明星藥高度依賴珍稀瀕危植物
“植物大熊貓”紅豆杉是我國一級珍稀瀕危保護(hù)植物，還被全世界42個國家稱為“國寶”。
由紅豆杉產(chǎn)生的獨特的二萜類化合物紫杉醇，上世紀(jì)60年代首次從紅豆杉樹皮中分離鑒定。1992年首款紫杉醇注射液上市。
目前，作為已知療效最好的植物源明星抗腫瘤藥物，紫杉醇能夠特異性調(diào)控微管蛋白從而抑制腫瘤細(xì)胞的異常分裂增殖，被廣泛應(yīng)用于各種實體瘤的臨床治療，是癌癥化學(xué)藥物治療的“主力軍”。
據(jù)悉，紫杉醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，含有47個碳原子，11個立體中心，多個的手性中心和官能團(tuán)，化學(xué)全合成的生產(chǎn)成本依然很高，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要。現(xiàn)階段，紫杉醇類原料藥主要依賴人工種植的紅豆杉植物提取和化學(xué)半合成。
“但是，紫杉醇在紅豆杉中含量非常低，加之紅豆杉生長十分緩慢，造成當(dāng)前的紫杉醇供需矛盾。”基因組所研究員閆建斌告訴《中國科學(xué)報》，通過合成生物學(xué)和生物多組學(xué)等技術(shù)聯(lián)用，開發(fā)高產(chǎn)紫衫醇的植物或微生物反應(yīng)器，是降低紫杉醇生產(chǎn)成本和保護(hù)紅豆杉自然資源的必由之路。
“但是，缺乏紅豆杉基因組數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，尚未完全解析紫杉醇生物合成通路，這些問題正制約著該領(lǐng)域的發(fā)展。”閆建斌說。
成功組裝南方紅豆杉染色體級別基因組
全世界有11種紅豆杉，在我國主要分布著中國紅豆杉、南方紅豆杉、東北紅豆杉、云南紅豆杉和曼地亞紅豆杉。
基因組所研究員熊興耀介紹，南方紅豆杉主要分布于長江流域以南各省區(qū)，在我國南方省份多有分布，河南和陜西也有其身影。由于其紫杉醇含量較高，是人工種植紅豆杉的主要物種之一。
該團(tuán)隊選取南方紅豆杉的單倍型胚乳材料進(jìn)行全基因組測序，成功組裝了染色體級別的高質(zhì)量參考基因組。
“紅豆杉的基因組大且復(fù)雜，選取南方紅豆杉的單倍型胚乳材料進(jìn)行全基因組測序，可以避開復(fù)雜基因組的雜合片段，從而有效提升基因組組裝質(zhì)量。” 熊興耀說。
同時，“團(tuán)隊在番茄和黃瓜上的多組學(xué)研究體系，為解析紫杉醇代謝通路提供了有力的工具。”基因組所研究員黃三文說。
研究發(fā)現(xiàn)，南方紅豆杉基因組經(jīng)歷了一次古代的全基因組復(fù)制事件，并且其基因組中的重復(fù)序列經(jīng)歷了長期而連續(xù)的插入過程。
閆建斌解釋說，“全基因組復(fù)制和重復(fù)序列連續(xù)插入現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在一定程度上解釋了紅豆杉在進(jìn)化過程中基因組變大的原因。同時，在漫長的進(jìn)化過程中，與其他裸子植物相比，紅豆杉進(jìn)化形成了獨特的Gypsy和Copia轉(zhuǎn)座子家族，從基因組角度體現(xiàn)了紅豆杉作為‘植物大熊貓’的遺傳獨特性。”
揭示紫杉醇生物合成遺傳基礎(chǔ)
不僅如此，紅豆杉還進(jìn)化出獨有的紫杉醇生物合成相關(guān)基因家族。
“紫杉醇僅能在紅豆杉中合成，這與其獨特的基因家族有密切關(guān)系。”閆建斌說，該研究系統(tǒng)分析了紫杉醇合成相關(guān)基因的定位與協(xié)同表達(dá)調(diào)控，繪制了多個相關(guān)基因家族的位置圖譜，特別揭示了細(xì)胞色素P450家族，尤其是紫杉醇合成相關(guān)P450亞家族（CYP725A）的基因組分布和調(diào)控規(guī)律。
“紫杉醇合成酶基因在基因組上是否存在協(xié)同分布和調(diào)控，此前一直未知。”閆建斌說，他們的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了紫杉醇合成相關(guān)基因在紅豆杉染色體上存在聚集分布和受植物激素茉莉素協(xié)同調(diào)控的趨勢，鑒定了紅豆杉特有的CYP725A家族和首個紫杉醇生物合成基因簇由六個基因串聯(lián)組成，并主要負(fù)責(zé)著催化紫杉醇生物合成的前兩步。
中國科學(xué)院院士鄧子新教授高度評價了該研究進(jìn)展，從紫杉醇被發(fā)現(xiàn)開始，科學(xué)家們經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，完成了對其構(gòu)效關(guān)系、藥物劑型、藥物來源、臨床應(yīng)用、作用機制等方面的研究工作。如今，我國科學(xué)家完成南方紅豆杉基因組測序和組裝，為解決“紅豆杉如何合成紫杉醇”的關(guān)鍵科學(xué)問題提供了重要基石。
“該項研究所發(fā)現(xiàn)的紫杉醇生物合成基因的分布與調(diào)控規(guī)律，基于多組學(xué)分析獲得的候選基因，對于指導(dǎo)紅豆杉遺傳育種和種質(zhì)資源的高效利用，具有重要意義；而且能夠為我國的紫杉醇合成生物學(xué)生物制造提供生物數(shù)據(jù)保障，加快紫杉醇異源合成底盤的設(shè)計和開發(fā)，為下一步開發(fā)綠色環(huán)保、可持續(xù)生產(chǎn)的紫杉醇生物合成策略提供關(guān)鍵基礎(chǔ)。”鄧子新說。
該論文共同第一作者為基因組所研究員熊興耀、博士后茍君波、助研廖慶剛和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授李炎林。基因組所研究員閆建斌和黃三文為論文的共同通訊作者。項目資助的第一標(biāo)注為合成生物學(xué)國家重點研發(fā)計劃。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41477-021-00963-5
