海南是中国最典型的岛屿型热带季雨林分布区，也是国际上公认的生物多样性热点区域之一。推进全球生物多样性治理是促进人与自然和谐共生、构建地球生命共同体的关键。党和国家历来高度重视生物多样性的保护和利用。近日，习近平主席在视频出席联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会（COP15）第二阶段高级别会议，强调了全球生物多样性治理对共谋全球生态文明建设的重要性。
中国热科院作为中央级驻琼科研机构，长期致力于海南生物多样性的保护和可持续利用研究。北京时间12月29日零点，国际四大顶级期刊之一《美国科学院院报》（PNAS） 在线发表了中国热科院品资所乔飞研究员团队在珍稀濒危植物海南粗榧的保护和可持续利用研究方面取得的最新科研成果“Elucidation of the 1-phenethylisoquinoline pathway from an endemic conifer Cephalotaxus hainanensis”。
该成果首次打通了广谱抗癌药物海南粗榧三尖杉酯类生物碱碳骨架母核生物合成上游通路，解决了半个多世纪以来关于苯乙基异喹啉类生物碱上游生物合成通路的争论，为三尖杉酯类生物碱的生物合成奠定了基础。
据了解，三尖杉酯类生物碱具有广谱抗癌作用，在临床上主要用于急性白血病的治疗。其中，高三尖杉酯碱和三尖杉酯碱已经纳入我国药典，美国FDA也批准使用。当前，三尖杉酯类生物碱主要提取自海南粗榧等三尖杉科植物，因该科植物生长极其缓慢，生境狭窄，多处于濒危的边缘，并且三尖杉酯类生物碱含量极低，从植物中大量提取非常困难。化学合成也未能解决其商业化生产的难题，导致该药品价格昂贵，成为其临床上广泛使用的主要障碍。
研究团队从2011年开始选择三尖杉科植物中生物碱含量最高的海南粗榧作为对象开展研究。相关研究表明，三尖杉酯类生物碱属于苯乙基异喹啉类生物碱（PIAs）， PIAs是一类重要的天然产物，主要有3种类型，包括秋水仙碱，三尖杉碱，高刺酮碱。该类化合物具有相同的碳骨架，但是该碳骨架的生物合成通路一直未能详细勾勒，在研究上尚属空白。为解决该难题，研究团队选择三尖杉科植物中生物碱含量最高的海南粗榧作为研究对象，从三尖杉碱合成通路的上游入手，寻找碳骨架合成的关键基因，借助全长转录组对相关基因进行了逐个验证。通过长期反复实验研究，发现了PIAs碳骨架形成关键酶苯乙基异喹啉骨架合成酶（PSS），其属于一个全新的病程相关蛋白。进而，对PIAs母核上游生物合成中7步共30个基因全部进行了功能验证，最终打通了整个上游合成通路。此外，团队还对关键节点性化合物4-羟基苯丙醛（4-HDCA）的合成路线进行了详细的验证，构建了 “hydroxylation-first”模型，揭示了肉桂酸羟基化后才能生成4-羟基二氢肉桂醛的机制，破解了半个多世纪以来关于4-HDCA生物合成通路的秘密。合成通路的解析将极大的帮助实现生物工程技术生产三尖杉酯类生物碱药物，不仅可以降低药物的价格，还可以减少从野外采集植物，从而保护野生植物。
苯乙基异喹啉类生物碱生物合成上游通路图
同时，研究团队还开展了海南粗榧细胞工程技术的研究，已经创建适合液体悬浮培养的细胞系，并且成功诱导产生了三尖杉酯类生物碱，接下来将解决如何提高产量的问题。从三角瓶的实验室研究放大到工业发酵罐，里面还有非常多的工艺问题需要解决，这也将是团队下一步研发的重点方向。该项工作不仅为珍稀濒危植物海南粗榧的保护和可持续开发利用，推动海南生物所多样性治理奠定了坚实基础，同时也为我国抗癌药物研发、人类健康发展提供了新的思路和方法。
据悉，该论文第一署名单位为中国热科院品资所，乔飞研究员、何岳东博士和张宇浩硕士为论文共同第一作者，中国热科院品资所孙化鹏博士、中国药科大学肖易倍教授、赵玉成副教授为论文共同通讯作者。中国药科大学赵玉成副教授团队、湖南大学钟晓红教授团队、海南大学江雪飞教授团队、德国卡尔斯鲁厄理工学院Peter Nick教授团队合作参与了该项工作。研究工作得到了国家自然科学基金委面上项目等项目支持。
全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2209339120
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