要想高效合成分子結構復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”。
7月15日,中國農業科學院(深圳)基因組研究所(以下簡稱基因組所)和湖南農業大學等合作,于《自然—植物》在線發表了南方紅豆杉染色體級別的高質量參考基因組,并全面解析了紫杉醇生物合成的遺傳基礎。
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植物,還被全世界42個國家稱為“國寶”。
由紅豆杉產生的獨特的二萜類化合物紫杉醇,上世紀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控微管蛋白從而抑制腫瘤細胞的異常分裂增殖,被廣泛應用于各種實體瘤的臨床治療,是癌癥化學藥物治療的“主力軍”。
據悉,紫杉醇的化學結構極其復雜,含有47個碳原子,11個立體中心,多個的手性中心和官能團,化學全合成的生產成本依然很高,難以滿足工業化生產需要。現階段,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《中國科學報》,通過合成生物學和生物多組學等技術聯用,開發高產紫衫醇的植物或微生物反應器,是降低紫杉醇生產成本和保護紅豆杉自然資源的必由之路。
“但是,缺乏紅豆杉基因組數據的指導,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域的發展。”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,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。
該團隊選取南方紅豆杉的單倍型胚乳材料進行全基因組測序,成功組裝了染色體級別的高質量參考基因組。
“紅豆杉的基因組大且復雜,選取南方紅豆杉的單倍型胚乳材料進行全基因組測序,可以避開復雜基因組的雜合片段,從而有效提升基因組組裝質量。” 熊興耀說。
同時,“團隊在番茄和黃瓜上的多組學研究體系,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。
研究發現,南方紅豆杉基因組經歷了一次古代的全基因組復制事件,并且其基因組中的重復序列經歷了長期而連續的插入過程。
閆建斌解釋說,“全基因組復制和重復序列連續插入現象的發現,在一定程度上解釋了紅豆杉在進化過程中基因組變大的原因。同時,在漫長的進化過程中,與其他裸子植物相比,紅豆杉進化形成了獨特的Gypsy和Copia轉座子家族,從基因組角度體現了紅豆杉作為‘植物大熊貓’的遺傳獨特性。”
揭示紫杉醇生物合成遺傳基礎
不僅如此,紅豆杉還進化出獨有的紫杉醇生物合成相關基因家族。
“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系。”閆建斌說,該研究系統分析了紫杉醇合成相關基因的定位與協同表達調控,繪制了多個相關基因家族的位置圖譜,特別揭示了細胞色素P450家族,尤其是紫杉醇合成相關P450亞家族(CYP725A)的基因組分布和調控規律。
“紫杉醇合成酶基因在基因組上是否存在協同分布和調控,此前一直未知。”閆建斌說,他們的研究進一步發現了紫杉醇合成相關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同調控的趨勢,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組成,并主要負責著催化紫杉醇生物合成的前兩步。
中國科學院院士鄧子新教授高度評價了該研究進展,從紫杉醇被發現開始,科學家們經過半個多世紀的研究,完成了對其構效關系、藥物劑型、藥物來源、臨床應用、作用機制等方面的研究工作。如今,我國科學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”的關鍵科學問題提供了重要基石。
“該項研究所發現的紫杉醇生物合成基因的分布與調控規律,基于多組學分析獲得的候選基因,對于指導紅豆杉遺傳育種和種質資源的高效利用,具有重要意義;而且能夠為我國的紫杉醇合成生物學生物制造提供生物數據保障,加快紫杉醇異源合成底盤的設計和開發,為下一步開發綠色環保、可持續生產的紫杉醇生物合成策略提供關鍵基礎。”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業大學副教授李炎林。基因組所研究員閆建斌和黃三文為論文的共同通訊作者。項目資助的第一標注為合成生物學國家重點研發計劃。
相關論文信息:https://www.nature.com/articles/s41477-021-00963-5