三尖杉類生物堿與高刺桐 類 生物堿是 三尖杉中 結(jié)構(gòu)獨(dú)特、活性顯著的天然產(chǎn)物， 其中 高三尖杉酯堿 是 2012年被美國(guó)FDA批準(zhǔn)的 治療慢性粒細(xì)胞白血病的臨床一線藥物，在全球血液腫瘤治療領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。然而三尖杉屬于珍稀瀕危植物，天然植株內(nèi)目標(biāo)生物堿含量極低，依靠傳統(tǒng)采摘提取、化學(xué)半合成的生產(chǎn)模式不僅效率低下，還嚴(yán)重威脅野生植物種群安全。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全球科研人員持續(xù)攻關(guān)，兩類生物堿完整生物合成通路始終未能被解析，成為制約其實(shí)現(xiàn)綠色、規(guī)模化、可持續(xù)化生物制造的核心瓶頸。

2026年6月12日 ， 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、 北大 - 清華生命科學(xué)聯(lián)合中心雷曉光教授團(tuán)隊(duì) 與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所閆建斌研究員團(tuán)隊(duì)合作， 在Cell雜志上發(fā)表了題為 Complete biosynthesis of the anticancer cephalotaxinone and homoerythratine 的研究論文，首次闡明了兩類三尖杉抗癌生物堿的完整生物合成通路，并實(shí)現(xiàn)了異源重構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用多組學(xué)分析、化學(xué)合成、酶學(xué)表征、計(jì)算生物學(xué)與 點(diǎn)突變 等技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)并表征了三尖杉酮堿、高刺桐堿兩大關(guān)鍵生物堿的生物合成通路中核心催化反應(yīng)酶，闡明同源細(xì)胞色素P450酶差異化催化的分子機(jī)制，并成功在本氏煙草中實(shí)現(xiàn)兩條合成通路的異源重構(gòu)。該項(xiàng)成果填補(bǔ)了三尖杉生物堿合成領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的知識(shí)與技術(shù)空白，為進(jìn)一步利用合成生物學(xué)手段量產(chǎn)高三尖杉酯堿、保護(hù)瀕危藥用植物資源奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是植物天然藥物生物合成與生物制造領(lǐng)域中的重大突破。

研究團(tuán)隊(duì)首先結(jié)合化學(xué)合成標(biāo)準(zhǔn)品，對(duì)三尖杉根、莖、葉不同組織開(kāi)展代謝物定量檢測(cè)，明確生物堿 的 合成中間體主要在 根部合成富集 。隨后通過(guò)轉(zhuǎn)錄組與代謝組聯(lián)合分析、加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA），創(chuàng)新采用 錨定酶篩選策略 ，以通路兩端功能明確的酶基因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，從海量基因中逐步鎖定候選功能基因。經(jīng)過(guò)大規(guī)模體外酶活實(shí)驗(yàn)與植物瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)最終鑒定出 13個(gè)參與生物堿合成的關(guān)鍵功能酶 ，梳理出從芳香氨基酸出發(fā)，經(jīng)多步氧化、還原、甲基化反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物的完整代謝流程。系統(tǒng)發(fā)育分析進(jìn)一步表明，三尖杉生物堿合成相關(guān)基因，主要由該物種特有的基因復(fù)制與功能分化演化而來(lái)，清晰揭示了整條通路的進(jìn)化脈絡(luò)。

該研究 還 發(fā)現(xiàn)一對(duì)序列相似度高達(dá)91.6%的同源細(xì)胞色素 P450酶CfCYP2與CfCYP3利用同一中間體，卻通過(guò)差異化氧化反應(yīng)，分別導(dǎo)向三尖杉?jí)A通路與高刺桐堿通路，成為兩大分支的核心 “分子開(kāi)關(guān)”。研究人員借助 AlphaFold 蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子動(dòng)力學(xué)模擬、定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)，精準(zhǔn)鎖定酶活性口袋內(nèi)兩個(gè)決定催化選擇性的關(guān)鍵氨基酸殘基，闡明了同源酶功能分化的分子機(jī)理。這一發(fā)現(xiàn)刷新了人們對(duì)P450酶催化多樣性的認(rèn)知，為解析植物次生代謝通路進(jìn)化提供了經(jīng)典范例。

在明確全部催化元件與反應(yīng)順序后，研究人員分別組裝兩套核心酶基因組合，在本氏煙草中完成異源通路重構(gòu)。經(jīng) LC-MS/MS 比對(duì)證實(shí)，煙草體系可穩(wěn)定合成三尖杉酮 堿 與高刺桐 堿 ，產(chǎn)物與天然標(biāo)準(zhǔn)品高度吻合，成功實(shí)現(xiàn)了兩類抗癌生物堿人工合成路線的完整復(fù)刻。

該成果率先破解了困擾近半世紀(jì)的三尖杉生物堿生物合成難題，不僅在基礎(chǔ)理論層面完善了裸子植物生物堿合成、酶功能進(jìn)化的科學(xué)體系，更在應(yīng)用層面打通了高價(jià)值抗癌生物堿綠色生物制造的技術(shù)鏈路。依托本次建立的技術(shù)體系，未來(lái)有望搭建微生物細(xì)胞工廠、工程化植物平臺(tái)，擺脫對(duì)瀕危三尖杉的依賴，大幅降低抗癌藥物生產(chǎn)成本，讓更多患者受益。

圖1 三尖杉酮堿和高刺桐堿生物合成通路解析

北京大學(xué)雷曉光教授 和 中國(guó)農(nóng)科院基因組研究所閆建斌為 論文的共同 通訊作者， 北京大學(xué)博士畢業(yè)生田潤(rùn)澤、基因組所博士后林非凡、北京大學(xué)博士生郭念昕和北京大學(xué)博士生劉宸玓為該論文的共同第一作者。 北京大學(xué)博士后陳愷騏、北京大學(xué)博士生韓云晰、蘭銳昀和深圳灣實(shí)驗(yàn)室李強(qiáng)博士也在底物合成、蛋白表達(dá)、理論計(jì)算等方面提供了重要幫助。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00656-2