紫杉醇生物合成研究歷史、現狀及展望

邱德有張彬楊艷芳邵芬娟滕文靜

（1. 中國林業科學研究院林業研究所 林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091；2.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100190）

紫杉醇生物合成研究歷史、現狀及展望

邱德有1張彬2楊艷芳1邵芬娟1滕文靜2

（1. 中國林業科學研究院林業研究所 林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091；2.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100190）

紫杉醇是從紅豆杉中分離出來的一種二萜類化合物，是目前臨床上使用最廣泛的抗癌藥物之一?；仡櫫俗仙即忌锖铣傻难芯繗v史，主要包括參與紅豆杉紫杉醇生物合成的結構基因、調控基因、紅豆杉代謝組、內生真菌紫杉醇生物合成研究歷史以及國際上紫杉醇生物合成專利情況等。介紹了近年來紅豆杉和內生真菌紫杉醇生物合成研究的現狀。最后探討了本領域未來的研究方向并對其前景進行展望。

紫杉醇；生物合成； 現狀；前景

紫杉醇（Taxol）是紅豆杉屬植物中的一種二萜類化合物。紅豆杉（Taxus）又名紫杉，為紅豆杉科紅豆杉屬植物。全世界共有11個種，我國有4個種和1個變種，即東北紅豆杉（T. cuspidata Sieb. Et. Zucc）、云南紅豆杉（T. yunnanensis Cheng et L. K. Fu）、西藏紅豆杉（T. wallichiana Zucc）、中國紅豆杉（T. chinensis （Pilger）Rehd）和南方紅豆杉（T. chinensis （Pilger）Rehd. var. mairei （Lemee rt levl）Cheng et L. K. Fu）。早在1971年，Wani等［1］就從短葉紅豆杉（T. brevifolia）中分離出了這種二萜化合物紫杉醇，并發現它具有很強的抗腫瘤能力。紫杉醇作為最為有效的天然抗癌藥物之一，目前與其半合成類似物多烯紫杉醇一起已經成為臨床上使用最廣泛的癌癥化療藥物。由于紫杉醇在紅豆杉中的含量很低（約占樹皮干重的0.01%-00.2%）加之紅豆杉屬植物生長緩慢，資源量少，所以過去一段時間內供求矛盾突出。這對紫杉醇的進一步開發利用造成了很大的困難。為了解決這一問題，國內外在高產紫杉醇紅豆杉的篩選、化學全合成及半合成、細胞培養、真菌發酵等研究方面進行了探索，取得了一定的成績，但離徹底解決紫杉醇的高效供應問題還有一段距離。

可以想象在未來的一段時間內，紫杉醇及其半合成前體的供應將繼續依賴于生物學方法，即通過紅豆杉植物或者紅豆杉細胞培養來獲得。更進一步，也可通過基因操作提高紅豆杉細胞和微生物中紫杉醇生物合成相關酶編碼基因的表達量來提高紫杉醇的產量。所以，紫杉醇生物合成的研究是解決紫杉醇問題的關鍵。

鑒于此，本文回顧了紫杉醇生物合成的研究歷史，主要綜述了參與紅豆杉紫杉醇生物合成的結構基因、調控基因、紅豆杉代謝組、內生真菌紫杉醇生物合成的研究歷史以及國際上紫杉醇生物合成專利情況等，其次介紹近年來紅豆杉和內生真菌紫杉醇生物合成研究的現狀，最后對本領域未來的研究方向及其前景進行展望，旨在為有關研發工作提供一定的參考和借鑒作用。

1 紫杉醇生物合成研究的歷史

1.1 參與紫杉醇生物合成的結構基因

從紫杉醇合成前體牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP）到紫杉醇的合成約需20步酶促反應，主要包括GGPP合成酶，紫杉二烯合成酶（taxadiene synthase，TS），羥基化酶、?；负妥兾幻傅龋鼈兎謩e是GGPP合成酶、紫杉二烯合成酶、紫杉烷 5α-羥基化酶、紫杉烷 10β-羥基化酶、紫杉烷 1α-羥基化酶、紫杉烷2β-羥基化酶、紫杉烷 7β-羥基化酶、紫杉烷 9α-羥基化酶、紫杉烷 13α-羥基化酶、紫杉烷 2α-O-苯甲?；D移酶、紫杉烷 10β-O-乙?；D移酶、紫杉醇側鏈N-苯甲?；D移酶、紫杉醇側鏈 C2-羥基化酶、紫杉烷 C-13-O-苯丙烷側鏈乙酰CoA酰基轉移酶、β-苯丙氨酸變位酶、乙酰CoA連接酶、β-苯丙氨酸水解酶、9α-羥基氧化酶、4，20 環氧化酶、環氧乙烷環氧四環變位酶。紫杉醇生物合成基因的分離及鑒定工作主要是由美國華盛頓大學Croteau教授領導的實驗室進行完成的，他們完成了這些酶編碼基因中的12個基因加上紫杉烷 14β-基化酶和紫杉烷 5α-O-乙酰基轉移酶的編碼基因的克隆和鑒定（表1）。

早在1996年，Croteau實驗室的Wildung［1］就分離到了紫杉二烯合成酶（taxadiene synthase）的基因。接著，Croteau實驗室Hefner［2］克隆并鑒定了牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合成酶（geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPPS）的編碼基因。羥基化酶編碼基因的克隆和鑒定工作主要由Croteau實驗室的Anne Schoendorf、Stefan Jennewen、Mydoanh Chau、Mark R. Wildung等人完成，而?；妇幋a基因的克隆和鑒定工作主要由該實驗室的Kevin D. Walker、Daniela Hampel、Mark R. Wildung等人完成的，而β-苯丙氨酸變位酶編碼基因的克隆和鑒定工作則是由Kevin D. Walker等人完成。此外，Hampel等［15］從紅豆杉中分離出了兩個使紅豆杉細胞代謝物紫杉素（Taxusin）?；孽；D移酶基因（TAX9和TAX14），這些基因促使代謝流無法走向紫杉醇。該發現為今后利用基因抑制及敲除等技術手段促進紫杉醇及其前體的生物合成提供了一個新的思路和理論基礎。值得一提的是盡管該實驗室的Raymond Ketchum、Yousun Kim和Deyou Qiu（邱德有）等人雖然沒有直接參與有關基因的克隆，但他們所培養的紅豆杉細胞以及所做的有關代謝組學的分析等努力為上述一些的基因克隆工作提供不可或缺的細胞材料和研究思路，貢獻也不容忽視。2011年，K?ksal 等［16］對紫杉二烯合成酶的晶體結構進行了分析，此項工作為今后通過蛋白質工程技術改造紫杉二烯合成酶來進一步提高其活性奠定了一個結構基礎。

近年來，國內外其它研究者也陸續地開展了紫杉醇生物合成基因的克隆及表達的工作。關于國內外參與紫杉醇生物合成的結構基因研究的具體概況以及紫杉醇生物合成部位的研究歷史，我們之前的綜述性文章作了詳細地介紹［17-19］，這里就不再重復。

1.2 參與紫杉醇生物合成的調節基因

1.2.1 參與紫杉醇生物合成調節的轉錄因子 除了紅豆杉中參與紫杉醇生物合成的結構基因之外，研究者還對參與紫杉醇生物合成調節的轉錄因子開展了一定的研究。轉錄因子在植物次生代謝途徑中起到重要的調控作用，能夠調控不少次生代謝物質的產量。參與植物次生代謝生物合成調控的轉錄因子主要有MYB、AP2/EREBP、WRKY、bHLH、MADS-box和bZIP等這幾類家族。目前人們已經報道了一些關于參與紫杉醇生物合成調控的轉錄因子。例如，姚瑞楓等［20］利用酵母單雜交技術對與紫杉醇生物合成途徑中的dbat基因啟動子的順式元件相結合的轉錄因子進行了篩選工作，得到了6個結合蛋白的編碼基因。戴怡齡［21］從東北紅豆杉中分離、克隆到兩個AP2類轉錄因子，其中TcDREB能與紫杉醇合成途徑中的TS、T5H、T10H和T13H四個關鍵酶編碼基因的啟動子相結合。Li等［22］從中國紅豆杉細胞中克隆了DBAT基因長度為1 740 bp的5'端片段，他們利用該基因片段作為誘餌，通過酵母單雜交方法從中國紅豆杉懸浮細胞所建立的cDNA文庫中成功地獲得一個WRKY類轉錄因子TcWRKY，并發現TcWRKY的過量表達或者RNAi干擾抑制后都可以分別增強或者降低DBAT基因的表達水平。

1.2.2 參與紫杉醇生物合成調節的非編碼RNA mi-RNA（microRNA）是一種內生的、長度約為21-22 nt、不編碼蛋白質的單鏈小分子RNA。研究發現miRNA通過轉錄切割或翻譯抑制的方式調控基因的表達，進而調節生物體的細胞生長、增殖、分化、發育、代謝、凋亡、疾病發生等過程，在植物的生命活動中起著非常重要的作用。Qiu等［23］對中國紅豆杉細胞小RNA高通量測序表明，中國紅豆杉有56個保守的miRNAs，它們分屬于23個miRNA 家族，另外兩個是非保守的miRNAs。我們發現茉莉酸甲酯（MeJA）誘導后miR168和miR169表達水平下降，而miR164和miR390表達水平上調。此外，我們還對受MJ誘導的主要保守miRNAs的靶基因進行了預測。預測結果顯示，所篩選出的小RNA不能作用于所有已克隆的15個紫杉醇生物合成相關基因，但發現中國紅豆杉miRNA的靶基因許多是一些轉錄因子，所以推測紅豆杉細胞中的miRNA分子很可能是通過作用于轉錄因子來影響紫杉醇生物合成的。Hao等［24］借助illumina測序技術，利用曼地亞紅豆杉葉子為材料對其小RNA和降解組進行了測序分析，此研究獲得了871個成熟miRNA，869個已知植物miRNA家族的前體，并且他們還發現了T13H和T2H分別是miR164和miR171的可能的剪切靶標。不過這些結果還需要用RACE等技術進行有關miRNA對靶基因切割的驗證，甚至進行轉基因的功能驗證。

表1 已克隆的14個紫杉醇生物合成相關基因

1.3 紅豆杉代謝組

代謝組學（Metabolomics）作為一種新技術也已被應用到包括紫杉醇在內的紅豆杉紫杉烷類研究工作中。Ketchum等［25］發現紅豆杉細胞在添加茉莉酸甲酯后，其C-14氧取代的紫杉烷的總含量由5%減少到2%，而紫杉醇、巴可亭III和10-去乙?；涂赏II在內的C-13氧取代的紫杉烷則大為增加，分別增加了4.72%、無窮大和4.12倍。因此，紫杉烷14 β-羥基化酶很可能是紫杉醇生物合成調控的一個十分重要的靶標。Ketchum等［26］利用代謝組學方法結合同位素示蹤技術，還進一步證實了紫杉烷14 β-羥基化酶和紫杉烷13α-羥基化酶所催化的反應在紫杉醇生物合成中所起的關鍵調控作用。Tanaka等［27］利用LC-IT-TOF-MS質譜技術對1-5年生的南方紅豆杉小苗中的紫杉烷類化合物進行了鑒定和分離。國內研究者也開展了相關研究工作。如Han等［28］對在層流剪切力作用下的東北紅豆杉細胞進行了代謝輪廓譜分析，成功地鑒定出了65個細胞內的代謝物。Hao等［29］在采用illumina測序技術對南方紅豆杉植株進行轉錄組測序工作的基礎上，利用基因數字表達譜技術（digital gene expression，DGE）進一步分析了南方紅豆杉根、莖、葉中紫杉醇生物合成相關基因的表達水平，他們發現這些基因在根中的表達量要高于莖、葉中的表達量。接著，他們利用代謝組學技術中的超快液相色譜（ultra fast liquid chromatography，UFLC）和質譜（mass spectrometry，MS）技術對包括紫杉醇在內的6種常見的紫杉類化合物在南方紅豆杉植株根、葉中的含量進行了測定和比較分析，結果發現這些紫杉烷類在南方紅豆杉根中的含量要明顯高于它們在莖、葉中的含量，這一結果與紫杉醇生物合成相關基因在根中的表達量要高于莖、葉中的表達量的結果相吻合。

1.4 內生真菌紫杉醇生物合成

1993年，美國蒙大拿州立大學Strobel實驗室的Stierle等［30］從短葉紅豆杉的韌皮部分離到1株產紫杉醇的內生真菌（Taxomyces andreanae），發現該菌的發酵液含紫杉醇24-50 ng/L。隨后，該實驗室又從西藏紅豆杉枝條上分離到1株小孢擬盤多毛孢（Pestalotiopsis microspora），紫杉醇的產量比Taxomyces andreanae高很多，發酵液的紫杉醇含量高達60-70 μg/L［31］。盡管Strobel實驗室用同位素示蹤的方法證明有關真菌能夠合成紫杉醇并對真菌中的質粒進行了研究，但他們并沒有在這些真菌中發現和克隆到任何紫杉醇生物合成基因。為此，黑龍江大學的趙凱等［32］進行了一些嘗試，他們采用RT-PCR 技術從東北紅豆杉樹葉中獲得了紫杉二烯合成酶基因片段，并利用所獲得的紫杉二烯合成酶基因與紫杉醇產生菌HQD33基因組DNA 進行了Southern雜交，初步結果證實了紫杉二烯合成酶的編碼基因可能存在于該內生真菌中，但后續的工作卻未見有進一步的報道。

1.5 國際上紫杉醇生物合成專利情況

國際上已有的紫杉醇生物合成的專利都是來自Croteau院士實驗室。具體的發明專利情況，見表2。這些專利中，最早是在1999年授權，2019年就到期，而最晚的專利是2008年授權，要到2028年才過期，距現在還有13年的時間。

2 紫杉醇生物合成研究現狀

2.1 紅豆杉紫杉醇生物合成研究現狀

2.1.1 紫杉醇生物合成基因 紫杉醇的生物合成是一個復雜的過程，包括四環骨架的構建和側鏈的加入。上文講到Croteau實驗室還有紫杉烷 9α-羥基化酶、紫杉醇側鏈 C2-羥基化酶（側鏈C2位的細胞色素P450氧化酶）、乙酰CoA連接酶以及D環形成酶（4，20 環氧化酶、環氧乙烷環氧四環變位酶）的編碼基因沒有克隆出來。最近，乙酰CoA連接酶和紫杉烷 9α-羥基化酶編碼基因克隆工作取得了一些進展，具體介紹如下。

乙酰CoA連接酶負責合成β-amino phenylpropanoyl CoAs。密西根州立大學的Kevin Walker教授實驗室發現來自于微生物短短芽孢桿菌（Brevibacillus brevis）的短桿菌酪肽合成酶A具有CoA ligase的功能，能夠合成α-phenylalanyl、β-phenylalanyl和phenylisoserinyl CoA，后二者正是參與紫杉醇生物合成的前體。 該工作為今后克隆紅豆杉細胞中的乙酰CoA連接酶提供了方向［33］。

中國醫學科學院藥物研究所戴均貴［34］課題組發現銀杏（Ginkgo biloba）懸浮細胞能特異性地對2α，5α，10β，14β-四乙酰氧基-紫杉-4（20），11-二烯 （sinenxan A，SIA）進行9α羥基化，表明銀杏細胞含有紫杉烷9α-羥基化酶的活性。這啟示我們如果找到銀杏中紫杉烷9α-羥基化酶（taxoid 9alphahydroxylase）編碼基因，就有望在紅豆杉細胞中發現紫杉烷9α-羥基化酶，從而完善紅豆杉紫杉醇生物合成這一重要代謝途徑。為此，2013年邱德有實驗室與戴均貴課題組一起利用Illumina 的Genome Analyzer IIx對銀杏（Ginkgo biloba）細胞的轉錄組進行了高通量測序。通過測序，獲得了銀杏細胞69 286個 contig，56 387個 scaffold，32 032個 unigene。 Unigene平均長度636 bp。通過分析unigene的功能注釋，發現66個unigene屬于CYP450基因家族，726個unigene參與次生代謝物合成，其中59個unigene與萜類合成有關，17個unigene與二萜類合成相關，最后利用生物信息學方法從Michigan State University銀杏成熟葉、側根、成熟果實、無菌苗以及次生莖的轉錄組數據中找到了與銀杏細胞CYP450高度同源的紫杉烷羥基化酶候選基因15個［35］。接著，我們用無細胞蛋白合成體系（in vitro cell-free protein synthesis assays）結合LC-MS 分析，從中發現一個屬于CYP716B的P450基因，它編碼的酶具有紫杉烷 9α-羥基化酶的活性。我們利用銀杏細胞這一獨特活性，在國際上率先從銀杏細胞中分離、克隆到紫杉烷 9α-羥基化酶的基因（taxoid 9α-hydroxylase），這項工作為今后從紅豆杉中克隆出紫杉烷 9α-羥基化酶的基因奠定了基礎［36］。

表2 已授權的紫杉醇生物合成基因的專利

2.1.2 紅豆杉轉錄組 相對于傳統的Sanger測序而言，高通量測序技術被稱為“下一代測序技術”。它具有高測序產量和高解析度的優點。高通量測序一次可以完成幾十萬到幾百萬條DNA分子序列的測定，目前亦被廣泛地應用于紫杉醇生物合成的研究中。Sun等［37］利用高通量測序技術對茉莉酸甲酯（MeJA）誘導前后的曼地亞紅豆杉細胞的轉錄組進行了研究，結果發現在29個已知的二萜類化合物骨架和紫杉醇生物合成相關的基因中有18個基因的表達量在MeJA誘導后升高。通過qRT-PCR（實時熒光定量PCR）技術驗證了其中9個紫杉醇生物合成相關基因的表達確實發生顯著的上調，鑒定出了多個可能參與紫杉醇生物合成未知步驟的候選基因，并且發現了一些可能與有關紅豆杉細胞紫杉醇的運輸和降解有關的基因。此外，我們還對潛在的miRNA進行分析，結果表明miRNA很可能在MeJA誘導后紫杉醇生物合成基因的表達調控中起著重要作用［37］。華中農業大學的Li等［38］也對茉莉酸甲酯（MeJA）誘導下的中國紅豆杉細胞進行了轉錄組測序分析，為進一步闡明MeJA誘導紫杉醇產生的分子機理奠定了基礎。Li等的研究發現中國紅豆杉細胞多個網絡途徑受到了調控，包括植物組蛋白生物合成和苯丙氨酸生物合成途徑。除了illumina測序平臺之外，454測序平臺也已經被利用到紅豆杉轉錄組的研究工作中。Wu等［39］利用454測序技術對東北紅豆杉的針葉進行了轉錄組測序分析，他們共獲得了81 148條高質量的短reads，組裝出了20 557條無重復的序列，包括12 975條singletons和7 582條contigs，發現了多個紫杉醇生物合成的候選基因。另外，Lenka等［40］利用消減抑制雜交（Suppression Subtractive Hybridization，SSH）法對MeJA處理不同時間的東北紅豆杉懸浮細胞進行分析，獲取得到了331個unigene的信息，與轉錄組高通量測序技術相比較，消減抑制雜交得到的信息資源略少，但它和轉錄組測序高通量測序一樣，也可以為今后開展紅豆杉紫杉醇生物合成未知基因的克隆提供思路。

2.1.3 紫杉醇合成生物學技術 美國麻省理工學院Gregory Stephanopoulos教授研究組的Ajikumar等［41］利用二萜生物合成上游的甲基赤蘚糖醇途徑（methylerythritol-phosphate pathway，MEP）以及下游萜類化合物合成通路中已知的基因信息，采取了一個多元模塊（multivariate-modular）的策略，使有關基因的拷貝數和啟動子的強度得到了最優化，結果成功地在大腸桿菌中過量表達包括紫杉二烯合成酶基因（TS）和紫杉烷 5α-羥基化酶基因（T5H）在內的兩個合成紫杉醇前體的生物合成基因，大腸桿菌培養物中紫杉二烯的水平達到1 g/L，而紫杉二烯5α-醇（taxadiene 5α-ol）的產量也達到了（58±3）mg/L，大大增加了大腸桿菌中這兩種紫杉醇前體的產量。最近，同一實驗室發明了一種含不同紫杉醇生物合成基因的大腸桿菌與酵母工程菌的共培養技術，他們發現含紫杉烷 5α-羥基化酶（T5H）及其還原酶基因CPR（即5αCYP-CPR基因）的酵母與含紫杉二烯合成酶基因（TS）的大腸桿菌共培養72 h后，紫杉二烯5α-醇的產量為2 mg/L。進一步對上述酵母中有關啟動子及含紫杉烷二烯合成酶基因（TS）的大腸桿菌進行優化后，兩種優化菌株之間共培養120 h紫杉二烯5α-醇的產量達到了33 mg/L。而當含紫杉二烯5α-醇乙酰基轉移酶基因（taxadien-5α-ol acetyl-transferase gene，TAT）、紫杉烷 10β-羥基化酶（T10H）及其還原酶基因CPR以及紫杉烷 5α-羥基化酶（T5H）及其還原酶基因CPR（即5αCYP-CPR基因）的工程酵母菌與經過優化的紫杉二烯合成酶基因（TS）的大腸桿菌菌株共培養后，每升培養物中紫杉二烯-5α-酯-10β-醇（taxadien-5α-acetate-10βol）的產量達到了30 mg/L［42］。這是國際上首個成功用酵母菌和大腸桿菌兩種微生物同時表達除還原酶基因CPR之外的4個紫杉醇生物合成基因的例子。這些工作為今后進一步利用合成生物學技術生產并提高紫杉醇生物合成的能力奠定了良好基礎，提供了強有力的理論指導。

2.2 內生真菌紫杉醇生物合成研究現狀

Heinig 等［43］在2013年報道了產紫杉醇內生真菌Taxomyces andreanae的基因組測序和其中一些二萜合成酶的測試結果，他們沒有在該內生真菌中發現紫杉二烯合成酶基因的存在，并認為從內生真菌Taxomyces andreanae所檢測到的紫杉醇是從其寄主植物中吸收過來的，而不是內生真菌Taxomycesandreanae本身所合成的。但這一結論顯然與一些不能產紫杉醇的植物（如柏樹）等中也能分離到產紫杉醇真菌的結果相矛盾。同年，Xiong 等［44］從曼地亞紅豆杉（Taxus×media）中分離到81個內生真菌，其中芒果球座菌（Guignardia mangiferae）HAA11、層出鐮刀菌（Fusarium proliferatum）HBA29和膠孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）TA67這3個菌株能產紫杉醇。進一步測序發現HBA29菌株中的TS基因和HAA11及TA67菌株中的BAPT基因與寄主植物曼地亞紅豆杉中的TS基因和BAPT基因的一致性分別只有 40.6%、40.0%和44.1%，因此他們認為產紫杉醇內生真菌與其寄主植物曼地亞紅豆杉之間很可能不存在水平基因轉移現象。本實驗室在中國林業科學研究院中央公益基金項目“植物內生真菌紫杉醇生物合成分子機理的研究”的資助下，與中國農業大學的賴錦盛教授和美國波特蘭大學的Hoffman Angela教授等合作，完成了榛子產紫杉醇內生真菌-青霉菌（Penicillium aurantiogriseum NRRL 62431）的全基因組測序工作并進行了基因注釋，成功預測出11 476個基因。通過與紅豆杉轉錄組進行Blast比對等生物信息學分析，獲得了如GGPPS、PAM、?；D移酶和羥基化酶的編碼基因等多個紫杉醇生物合成相關的候選基因。研究發現內生真菌中的紫杉醇生物合成候選基因與紅豆杉等寄主植物中的有關基因編碼的氨基酸序列差異很大，同源性低，具有明顯不同的進化模式，與紅豆杉等寄主植物應該不存在水平基因轉移事件。我們的結論推翻了國際上流行的“水平基因轉移”的假說，并為下一步的研究提供了一個新思路和一批有用的基因資源［45］。

3 展望

在過去的20多年時間里，科研工作者在紫杉醇生物合成研究領域中取得了巨大進展，已經克隆獲得了十多個紫杉醇生物合成相關基因，但紅豆杉細胞中紫杉醇生物合成途徑的研究需進一步推進和完善，因為紅豆杉紫杉醇的生物合成途徑中還有多個基因未被成功克隆、鑒定出來，這其中包括側鏈C2位的羥基化酶、紫杉烷9α-羥基化酶、C9 位羰基形成所需的酶和D環形成酶之編碼基因。紫杉醇生物合成途徑剩余步驟的闡明及其有關基因的克隆與功能鑒定需要一系列合適的中間體，而紫杉醇生物合成途徑中的中間體在紅豆杉中往往含量很低或很快被代謝掉，很難直接從植物本身中分離到，或者很難用化學的方法人工合成。這是目前本領域所面臨的最關鍵的問題。一旦我們能夠獲得一些參與紫杉醇生物合成途徑未知步驟的合適中間體，那么紅豆杉細胞中紫杉醇生物合成途徑剩余步驟的解析以及生物合成途徑中剩余的多個未知基因的克隆與功能鑒定將會取得突破。另外，進一步闡明紅豆杉細胞紫杉醇生物合成關鍵酶基因及其調控機制，并圍繞這些基因開展紅豆杉細胞轉基因的工作，對于提高紅豆杉細胞及植株中紫杉醇的產量、實現紫杉醇產業化生產也具有十分重要的意義。

合成生物學技術已經能夠生產一定量的紫杉醇的前體物質——紫杉二烯、紫杉二烯5α-醇甚至紫杉二烯-5α-酯-10β-醇，但距離應用合成生物學技術全合成出紫杉醇還有相當大的差距，還有一系列相關的基礎性工作需要開展，還需要進行一番艱巨的攻關。一旦紅豆杉紫杉醇生物合成基因全部得到克隆和鑒定，利用合成生物學技術全合成紫杉醇就有可能會實現。盡管這方面的研究將面臨前所未有的困難和難以想象的挑戰，但我們有理由相信在國內外有關科學家的共同努力下，這一夢想會在不久的將來變成現實。

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History，Current Status and the Prospects of Taxol Biosynthesis Research

Qiu Deyou1Zhang Bin2Yang Yanfang1Shao Fenjuan1Teng Wenjing2
（1. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，the Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091；2. Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100190）

Taxol is a diterpene isolated from Taxus. It is one of the most widely used compounds in the treatment of lung, ovarian and breast cancer. In this paper, the history of taxol biosynthesis research, its current status and the present research progress are reviewed. The future directions as well as the prospects of taxol biosynthesis research are also discussed.

taxol； biosynthesis research； current status； the prospects

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.004

2015-01-20

國家自然科學基金項目（31170628，31300567），中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（RIF2014-01）

邱德有，男，研究員，研究方向：植物次生代謝，E-mail：qiudy@caf.ac.cn；張彬，男，碩士研究生，研究方向：生物領域專利審查研究，E-mail：zhangbin_1@sipo.gov.cn；張彬同為本文第一作者