三尖杉屬植物雖然能產(chǎn)生治療白血病的藥物高三尖杉酯堿，但這個屬的植物本身生長緩慢，加上長期過度采挖，已經(jīng)到了瀕危的地步。2026年6月12日，北京大學(xué)雷曉光團隊和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院閆建斌團隊在《細胞》雜志上發(fā)表了題為《Complete biosynthesis of the anticancer cephalotaxinone and homoyerthratine》的研究論文。這項研究完整地找出了兩種重要生物堿cephalotaxinone和homoerythratine在植物體內(nèi)的全部合成步驟，并且鑒定出了參與這些步驟的13個關(guān)鍵酶。

研究團隊對三尖杉這種植物的根、莖、葉分別做了代謝物含量測定，他們化學(xué)合成了一系列推測的中間體化合物作為參照標準，然后把這些標準品拿到實際植物組織里去比對。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，那些合成中間產(chǎn)物的物質(zhì)在根部的含量遠遠高于莖和葉，有些物質(zhì)在葉片里甚至根本檢測不到。這一結(jié)果表明，這些生物堿的核心骨架其實是在根部完成的，而不是之前以為的葉子。所以，為了弄清楚究竟是哪些基因在指揮這些合成步驟，團隊對三個不同組織的樣本做了轉(zhuǎn)錄組測序，并且用加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析的方法，把超過一萬四千個基因按照它們的表達模式分成了四個模塊。其中有一個模塊包含了六千多個基因，這些基因的表達變化規(guī)律跟前面檢測到的那些關(guān)鍵中間體的積累趨勢高度吻合。

隨后，研究團隊在大腸桿菌和本氏煙草里做了大量的酶活性的驗證。他們一步步地還原出了從簡單底物到復(fù)雜骨架的完整反應(yīng)過程：首先是一種Pictet-Spengler酶把多巴胺和醛類底物捏合在一起，生成了四氫異喹啉中間體；接著一個甲基轉(zhuǎn)移酶在上面加上了一個甲基；然后一個細胞色素P450酶和一個短鏈脫氫酶協(xié)作，把分子環(huán)化成了一個十元環(huán)結(jié)構(gòu)。有意思的地方在于，接下來的反應(yīng)由兩個長得非常像的P450酶——CfCYP2和CfCYP3——分別接管，但這兩個酶的氨基酸序列相似度雖然高達百分之九十一點六，干出來的活卻完全不一樣。CfCYP2會驅(qū)動分子骨架重新排布，走向cephalotaxinone那一條路；CfCYP3則引導(dǎo)分子走向homoerythratine那一條路。研究團隊用AlphaFold預(yù)測了這兩個酶的三維結(jié)構(gòu)，又做了分子動力學(xué)模擬，最后通過定點突變實驗發(fā)現(xiàn)，決定這種功能分歧的其實只是底物結(jié)合口袋附近的兩個氨基酸殘基。其中一個酶在這兩個位置上是甲硫氨酸和丙氨酸，另一個酶是亮氨酸和甘氨酸；把這兩處氨基酸對調(diào)一下，兩個酶的產(chǎn)物選擇性就跟著完全反轉(zhuǎn)了。這個發(fā)現(xiàn)很好地解釋了植物代謝途徑在進化過程中如何通過基因重復(fù)和功能分化來產(chǎn)生新的天然產(chǎn)物骨架。

弄清楚了從化合物5出發(fā)的兩條分支路線之后，研究團隊在本氏煙草里成功地重構(gòu)了這兩條完整的合成途徑。生產(chǎn)cephalotaxinone需要六個酶按順序表達，生產(chǎn)homoerythratine則需要七個酶。他們用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測了煙草葉片里的代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)每一個中間體乃至最終產(chǎn)物的出峰時間和分子量碎片都跟化學(xué)合成的標準品一模一樣。這項研究不僅破解了困擾科學(xué)家半個多世紀的三尖杉生物堿合成之謎，也為將來通過合成生物學(xué)手段可持續(xù)地生產(chǎn)抗白血病藥物高三尖杉酯堿鋪平了道路。

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