楤木抗癌(抗癌的木头)

三尖杉酯碱生物碱具有广谱抗癌作用，临床主要用于治疗急性白血病。然而，几乎所有天然产生这些生物碱的植物都濒临灭绝。因此，科学家们正在努力寻找人工合成哈西紫杉醇生物碱的方法。

中国热带农业科学院（以下简称院）热带作物品种资源研究所乔飞研究员团队首次解析榧中头杉醇生物碱碳骨架分子的生物合成途径vulgare，并阐明了多巴胺与4-羟基苯丙醛（4-HDCA）生物合成途径的关系，为这种广谱抗癌药物的生物合成奠定了基础。相关研究最近发表于美国《国家科学院院刊》。

濒临灭绝的“抗癌神树”

该论文共同第一作者乔飞告诉《中国科学报》，作为抗癌药物，高哈拉利紫杉醇生物碱和三尖杉酯碱已被纳入中国药典，也获得了美国食品药品监督管理局的批准。临床上使用高三尖杉酯碱。

然而，目前三尖杉醇生物碱主要从三尖杉科植物中提取。该科植物主要有三尖杉属和香榧属，它们生长极其缓慢，生境狭窄。其中大多数都处于濒临灭绝的边缘。

而且这些植物中的哈西紫杉醇生物碱含量极低，很难大量提取。化学合成也未能解决其商业化生产的问题，导致该药物价格昂贵，成为其广泛临床使用的一大障碍。

为了解决三尖杉酯碱的人工合成问题，必须从其生物合成的分子机制入手。就这样，海南香榧进入了乔飞团队的视线。

海南榧主要分布在海南岛，是我国特有的濒危植物。由于海南香榧是我国含抑癌生物碱种类最多、含量最高的树种，从其提取的药物对各类肿瘤、白血病、急性淋巴瘤等均有特效，被认为是最具潜力的药物。天然抗癌药物的来源，是晚期癌症的“最后一道防线”，因此被誉为“抗癌奇树”。

中国林科院热带林业研究所研究员李一德曾撰文，20世纪70年代，我国开展了从野生植物中提取和筛选抗癌药物的研究。中国林业科学研究院热带林业研究所与中国人民解放军第187医院等单位联合研究发现，海南香榧的两种成分和高三尖杉酯碱对癌细胞有良好的抑制作用，且疗效显着。海南产的香榧质量比云南产的好很多。该研究成果获1985年国家科技进步一等奖。

经证明，海南香榧树体内天然合成的酯类生物碱种类最多，共有11种，尤其是在动物和临床试验中具有显着抗肿瘤作用的4种酯类生物碱：——三尖杉酯碱、三尖杉酯碱、脱氧三尖杉酯碱、异三尖杉酯碱在海南香榧中含量最高，具有较显着的抗肿瘤作用，对各型白血病、急性淋巴瘤有特效。

但海南粗生长缓慢，数量稀疏，散生于海南岛热带雨林中。乔飞告诉《中国科学报》，20世纪70年代，热科院植物园种植了两棵海南榧树。然而，目前树干的直径只有20厘米。

“海南各地分布着约数千株香榧树，已被列为国家二级保护植物。而且，海南香榧的开花和成熟需要200多年的时间。”在海南打工12年的乔飞，只看到这两棵成年毛榧树已经结果了。海南香榧是雌雄异体的，那些分散的雌树往往因周围缺乏雄树而无法受精和结果。

如何在不破坏野生植物资源的情况下大量获取抗癌药物？这成为了乔飞团队要解决的难题。

分析碳骨架合成途径

数据表明，三尖杉酯碱生物碱属于苯乙基异喹啉生物碱（PIA）。PIA是一类重要的天然产物，主要有秋水仙碱、头孢噻嗪和同型胞嘧啶三种类型。这类化合物具有相同的碳骨架，但其碳骨架的生物合成途径尚未详细概述。

论文共同通讯作者、热科院热带作物品种资源研究所助理研究员孙华鹏表示，为了解决头孢紫杉醇生物碱的人工合成问题，从2011年开始，他们选择了植物头孢紫杉醇植物中生物碱含量最高。以海南香榧为研究对象，希望分析其合成途径，寻找相关关键基因。

然而，作为裸子植物，海榧的基因组巨大，估计有20G左右，目前尚未获得可供参考的基因组图谱。然而，对于hahcetaxel生物碱的生物合成途径的分析在国际上尚属空白，没有参考数据。这给分析合成途径和寻找关键基因带来了巨大的困难。

“已知hahcetaxel生物碱的生物合成分为三个主要途径：上游、中间和下游途径。”乔飞表示，第一步，上游途径合成碳骨架，这与PIAs中基本相同；第二步，中游途径对碳骨架进行变构化，将碳骨架“扭曲”成不同的结构，形成母核；第三步，下游通路在母核上添加一条由小分子组成的“小尾巴”，使结构活跃起来。从而成为不同类型的三尖杉酯碱生物碱。

“我们从上游通路入手，寻找关键氨基酸、功能注释、进化分析等，推测它们可能属于疾病过程相关蛋白家族。”乔飞解释说，病害过程相关蛋白原本是一类功能不明确的蛋白质，往往在植物遭受病害时大量产生，因而得名。

利用全长转录组，他们一一验证了与疾病进展相关的蛋白家族成员。经过长期、反复的实验研究，他们发现了PIAs碳骨架形成的关键酶PSS。然后他们在PIAs上游生物合成的七个步骤中对所有30个候选基因进行了功能验证，打通了整个合成途径。

结果表明，哈西紫杉醇生物碱的碳骨架是由关键节点化合物4-HDCA与多巴胺缩合而成。

自从半个多世纪前发现多巴胺以来，人们逐渐确定它来源于大多数动植物中的酪氨酸。然而，在能够合成生物碱的植物中，尚未发现合成多巴胺的同源基因。这使得生物碱植物中多巴胺的生物合成成为一个待解之谜。

孙华鹏表示，经过多轮筛选和验证实验，他们确定多酚氧化酶PPO家族在生物碱植物中起到催化多巴胺合成的作用。4-HDCA是肉桂酸羟基化形成的。在疾病过程相关蛋白的催化下，两者缩合形成PIAs的碳骨架，完成上游通路。

从锥形瓶到工业发酵罐

“上游合成途径的分析将极大地帮助我们利用生物工程技术生产哈西紫杉醇生物碱类药物，不仅可以降低药品价格，还可以减少对野生植物的采集，从而保护野生植物。”乔飞说。

但乔飞认为，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碱类药物还很遥远。因此，他们准备效仿美国、韩国利用红豆杉细胞反应器生产紫杉醇的方法，开发利用海南榧细胞工程技术，打造适合液体悬浮培养的细胞系，诱导生产头孢紫杉醇生物碱。据悉，这项工作已在实验室阶段取得进展。

“下一步是研究如何提高产量。此外，从实验室研究的锥形瓶到工业发酵罐，还有很多工艺需要开发。”乔飞告诉《中国科学报》，目前类似的发酵工艺只有少数国家掌握。由于属于技术秘密，没有资料可以参考。他们只能一步步克服困难。

该工作为获取该类生物碱提供了新的思路和方法，为海南香榧的保护和发展奠定了坚实的基础。

“我国热带地区植物资源丰富，蕴藏着丰富的遗传资源。特别是药用植物，很多珍稀遗传资源还需要被发现。一旦遗传资源和代谢途径明确，现代生物技术就可以与基因工程相结合，细胞工程等技术实现药物现代化生产。”乔飞说。（李晨）