Cell：破解三尖杉生物碱半世纪合成谜题，两种P450酶“分化氧化”生成不同骨架

三尖杉属（Cephalotaxus）是红豆杉科（Taxaceae）的一类古老裸子植物，分布于东亚和东南亚。其产生的多种生物碱具有显著抗肿瘤活性。其中，高三尖杉酯碱（HHT） 已被FDA批准用于治疗慢性髓性白血病（CML）和急性髓性白血病（AML），特别是对T315I突变的CML患者有效，是重要的二线治疗药物。由于三尖杉生长缓慢、资源稀少，HHT供应长期依赖植物提取，价格高昂。然而，HHT的规模化生产受到天然植物资源稀缺的严重制约。尽管历经半个多世纪的深入研究，这类生物碱的完整生物合成途径仍未被阐明。

天然产物的生物合成途径解析是合成生物学和代谢工程的基础。传统的“分离→结构鉴定→同位素示踪”方法耗时且低效。一项新的研究采用多组学（转录组+代谢组）联合分析，快速锁定候选酶基因，再通过酶催化反应验证和烟草瞬时表达系统重构途径，大大加速了发现进程。这种策略代表了天然药物生物合成研究的范式转变。

细胞色素P450是植物次生代谢中功能最多样的酶家族，催化羟化、环氧化、脱氢等多种氧化反应。本研究中CfCYP2和CfCYP3尽管序列高度同源，却催化不同的氧化位点和产物，其原因在于关键氨基酸残基的差异。这一发现为理解酶的功能演化和底物/产物特异性调控提供了重要案例，也为通过蛋白质工程改造P450酶来定向生成新的活性化合物提供了可能。

本研究通过全面的多组学分析，并结合一系列化学合成的标准品，成功鉴定了三尖杉酮碱（cephalotaxinone）和高刺酮碱（homoerythratine）生物合成所需的缺失酶。研究还揭示了一个罕见的酶催化现象：两种高度同源的细胞色素P450酶——CfCYP2和CfCYP3，在两种结构迥异的生物碱合成中，分别催化了不同的氧化反应，从而生成不同的骨架结构。研究团队进一步鉴定了影响这种“分化氧化”产物的关键氨基酸残基，并最终在本氏烟草（Nicotiana benthamiana） 中成功重构了这两种生物碱的完整生物合成途径。

目前重构途径产量可能还较低，需要通过酶工程优化（提高催化效率）、代谢通量调控（增加前体供应）和发酵工艺放大等步骤，才能实现工业化应用。预计从实验室到商业化仍需3-5年的持续研发。

综上所述，这项发表在《Cell》上的研究，通过多组学策略和化学合成标准品，首次完整解析了三尖杉中两类重要生物碱（三尖杉酮碱和高刺酮碱）的生物合成途径，鉴定了13种催化酶，并揭示了CfCYP2和CfCYP3两种高度同源的P450酶通过“分化氧化”生成不同骨架的罕见机制。通过在烟草中重构完整途径，为高三尖杉酯碱（HHT）等抗白血病药物的可持续生产铺平了道路，也为其他珍稀药用植物天然产物的生物合成研究提供了可复制的技术范式。这一突破具有重要的基础科学意义和临床转化价值。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Runze Tian et al, Complete biosynthesis of the anticancer cephalotaxinone and homoerythratine, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.06.007.