中藥活性成分“合成生物學”創造與新藥發現——高偉教授

童宇茹 張逸風 沈思雨 高 偉,*

(1.首都醫科大學藥學院，北京 100069；2.首都醫科大學中醫藥學院，北京 100069)

中藥活性成分不僅是中醫藥發揮臨床療效的活性物質，還是現代創新藥物開發的源泉，如抗瘧疾的青蒿素、止咳平喘的麻黃素和抗炎的黃連素等。目前，中藥活性成分基本依賴從藥用植物中直接提取分離，但由于其在植物中含量低、不易化學合成，隨著新藥開發及中藥產業化對中藥活性成分的需求增大，許多藥用植物資源將面臨大宗常用資源短缺、珍稀瀕危資源破壞等諸多問題。

從生物學角度，中藥活性成分多來源于藥用植物次生代謝過程中合成的天然產物，它們是植物長期演化過程中特有基因共同調控的產物，由系列關鍵酶通過系列催化反應所合成，并存在特定生物合成途徑。通過發掘藥用植物基因資源，克隆鑒定活性成分關鍵酶基因，解析其生源途徑并在微生物中人工創建代謝途徑，進而利用合成生物學策略生產或改造藥用活性成分，將是一種極具潛力的藥用活性成分獲取方法。

1 個人簡介

高偉教授(圖1)，男，中共黨員，1979年出生于江西鄱陽，首都醫科大學教授、博士生導師，藥學院院長。2008年博士畢業于中國中醫科學院中藥研究所，師從黃璐琦院士獲得全國百篇優秀博士學位論文；2013年師從美國科學院院士、冷泉港實驗室(CSHL)主席Bruce Stillman教授，在美國CSHL從事分子生物學研究。2014年獲得國家優秀青年科學基金和863計劃青年科學家項目資助；2015年入選國家第二批“萬人計劃”中組部青年拔尖人才和北京市首批“高創計劃”領軍人才；2016年入選教育部“長江學者獎勵計劃”青年項目；2018年入選科技部中青年科技創新領軍人才；2019年入選“萬人計劃”科技創新領軍人才。在中藥及天然藥物活性成分基因功能鑒定、生源途徑解析及合成生物學研究領域取得了創新性成果，以第一或通訊作者在JournaloftheAmericanChemicalSociety、NatureCommunications、NewPhytologist、MetabolicEngineering、OrganicLetters、PlantJournal、ActaPharmaceuticaSinicaB等國內外知名期刊發表論文81篇；參編教材和專著12部；授權發明專利18項，PCT專利2項；獲中國藥學會賽諾菲青年生物藥物獎、中國藥學會以嶺生物醫藥青年獎、北京市科技獎一等獎1項(第15)、中國藥學會科技獎一等獎1項(第4)、中華醫學會科技獎二等獎(第5)和中華中醫藥學會中青年創新人才等。兼任中華中醫藥學會青年委員會主任委員、中國中西醫結合學會分子生藥學分會秘書長、中國植物學會藥用植物及植物藥專業委員會副秘書長等；并擔任ActaPharmaceuticaSinicaB、ChineseJournalofNaturalMedicines、《中國中藥雜志》《藥學學報》《世界中醫藥》《首都醫科大學學報》等知名期刊編委或青年編委。

圖1 高偉教授

2 主要學術貢獻

高偉教授長期從事中藥資源與分子生藥學研究，聚焦雷公藤、丹參、甘草、穿心蓮等我國重要藥用植物基因資源，以雷公藤甲素、雷公藤紅素和丹參酮等應用于臨床或者有顯著藥理作用的活性成分為切入點，突破中藥活性成分傳統獲取方式，從“功能基因挖掘-生物合成途徑解析-合成生物學生產-活性評價”等全鏈條實現中藥活性成分“合成生物學”創造和新藥發現。

2.1 構建藥用植物基因鑒定系統，成功鑒定雷公藤等萜類活性成分生物合成關鍵酶基因，為發掘中藥基因資源提供關鍵技術

構建了中藥萜類活性成分生物合成相關基因高通量挖掘及功能鑒定系統，包括：① 發展了顏色及功能互補鑒定體系，適用于無底物的上游萜類基因功能鑒定；② 建立了體外酶促鑒定體系，適用于既有底物又有產物標準品的萜類基因功能鑒定；③ 建立了代謝工程鑒定體系，適用于僅有產物標準品的萜類基因功能鑒定；④ 建立了合成生物學策略鑒定體系，適用于無產物標準品的萜類基因功能鑒定；⑤ 基于基因槍介導的藥用植物體內基因功能鑒定。基因功能鑒定系統突破了非典型性模式藥用植物代謝途徑催化酶基因功能鑒定的瓶頸，并成功運用于雷公藤等植物萜類系列功能基因的克隆鑒定，首次克隆鑒定了48個雷公藤萜類生物合成功能基因[1-8]，為高效發現和確證目標中藥活性成分合成通路關鍵酶基因奠定了理論依據和關鍵技術。

2.2 提出基于表型差異的多組學研究策略，解析雷公藤甲素等中藥活性成分新穎合成途徑

提出了基于表型差異的多組學解析中藥活性成分未知功能基因及新穎途徑的整體研究策略。通過環境脅迫或外源誘導，使藥用植物次生代謝物積累產生表型差異，進而通過基因組學、代謝組學和轉錄組學等多組學數據檢測，構建“基因-代謝物”的調控網絡圖，篩選中藥活性成分合成途徑的候選基因及相關代謝物，發掘中藥活性成分未知功能基因和新穎途徑(圖2)：① 發現雷公藤新穎二萜合酶基因(TwTPS)[9]和細胞色素氧化酶基因(TwCYP728B70)[10]，解析了雷公藤甲素關鍵環化途徑和后修飾過程；② 發現雷公藤新穎的三萜氧化鯊烯環化酶基因(TwOSC)，首次揭示雷公藤紅素木栓烷型母核結構形成過程[11]；③首次在穿心蓮中發現了一個新穎二萜類化合物糖基轉移酶基因(ApUGT)，成功解析了新穿心蓮內酯下游生物合成途徑[12]。④ 表征了甘草中多種黃酮(異甘草素、甘草素及其糖苷異甘草苷)的完整生物合成途徑，并首次使用酵母內源代謝物作為前體和輔因子實現了其在釀酒酵母中的從頭合成[13]。

圖2 中藥(雷公藤、丹參、穿心蓮等)活性成分關鍵酶基因鑒定及新穎途徑解析

2.3 發展合成生物學關鍵技術，高效生產中藥活性成分

首次克隆鑒定了丹參酮生物合成關鍵基因SmCPS和SmKSL，發現了一條二萜生物合成新途徑。SmCPS是被子植物中首個被鑒定的-CPP合成酶基因，SmKSL編碼蛋白則催化-CPP形成新的二萜烯(次丹參酮二烯)；由此闡明了丹參酮生物合成過程中立體化學構型，發現了一條丹參酮特有的二萜生物合成新途徑[14-15]。進一步建立了合成生物學策略的模塊化途徑工程技術，對編碼SmCPS、SmKSL、ERG20、BTS1和HMG1 5個蛋白的基因進行了操作，首次在酵母中合成出次丹參酮二烯，產量達到365 mg/L 的國際先進水平[16]。進一步利用CRISPR/Cas9基因編輯技術獲得高產GGPP底盤菌，次丹參酮二烯產量提高到3 500 mg/L[17](圖3)；從而建立了以丹參酮為示范的中藥活性成分“功能基因挖掘-生物合成途徑解析-合成生物學生產” 的中藥基因資源發掘保護、中藥活性成分高效獲取的中藥資源可持續利用新模式。

2.4 聚焦臨床應用，篩選具有顯著藥理活性的中藥活性成分

對中藥活性成分進行了結構衍生和藥理活性研究，研究[18]顯示，雷公藤紅素可以抑制神經膠質瘤細胞的增生，對星形膠質細胞表現出低細胞毒性并誘導神經膠質瘤細胞的細胞周期停滯在G2/M期，主要通過誘導神經膠質瘤細胞中ROS的產生，促進JNK活化并阻斷Akt/mTOR信號通路而形成。而雷公藤甲素通過上調ROS/JNK和下調Akt/mTOR信號通路誘導膠質瘤細胞自噬和凋亡[19]。這些研究為雷公藤中有效成分的抗腫瘤活性新藥開發提供了科學依據，也為解析雷公藤有效成分生物合成途徑以及開發合成生物學生產提供了現實的需求。

3 科學意義與展望

通過發掘藥用植物基因資源，克隆鑒定中藥活性成分次生代謝新穎關鍵基因，解析中藥活性成分生源途徑和調控機制；一方面，可以揭示活性成分形成和積累的分子機制，從分子水平認識中藥材質量形成規律，為中藥材規范化精準育種與栽培提供科學依據；同時，進一步模擬藥用植物體內活性成分生物合成途徑，利用合成生物學方法在微生物體內設計并整合藥用植物有效成分生物合成途徑，構建和優化“細胞工廠”最終實現中藥活性成分的異源高效合成，為中藥資源可持續利用提供新的研究策略和有效途徑。

中藥活性成分“合成生物學”創造對當前解決中藥栽培環境出現的地域限制、有效成分含量低、提取困難等中藥資源短缺問題具有重要的現實意義。通過各類化合物生物合成途徑中各級酶和中間體的分析，完整解析化合物的生物合成途徑，進而實現中藥活性成分的“細胞工廠”異源生產，將具有顯著藥理活性的活性成分如紫杉醇、青蒿素、雷公藤甲素、雷公藤紅素和丹參酮等應用于臨床及制劑生產，更好地服務于醫藥事業的發展。但當前合成生物學面臨著生物合成下游途徑上關鍵基因的挖掘困難、合成結果的不可預測性、多數中藥活性成分途徑未完全解析、適配性底盤細胞需進一步改造、發酵工藝亟待提高和活性成分結構衍生及其活性評價、新藥發現等，這將是本領域重點研究方向和待解決的關鍵科學問題。