紫杉醇（Paclitaxel）是一種來源于天然產(chǎn)物的微管穩(wěn)定劑，能夠通過誘導(dǎo)有絲分裂停滯、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞自噬等機制，實現(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的殺傷，具有廣泛的抗癌活性。

然而，由于紫杉醇結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在天然植物中的含量極低（在紫杉樹皮中僅為干重的 0.001–0.050%），當(dāng)前紫杉醇的藥物供應(yīng)嚴(yán)重不足。

近半個世紀(jì)以來，科學(xué)界致力于發(fā)現(xiàn) 完整的紫杉醇生物合成基因組，期望能夠?qū)崿F(xiàn)異源性的紫杉醇高效生物合成，但迄今為止，尚未全面識別出其完整的生物合成基因集。目前生產(chǎn)仍依賴于從植物樹皮中提取中間產(chǎn)物巴卡汀Ⅲ進(jìn)行化學(xué)半合成來生產(chǎn)，亟需新的突破性技術(shù)路徑來實現(xiàn)可持續(xù)、可規(guī)模化的紫杉醇合成。

2025年6月11日，斯坦福大學(xué)的 Elizabeth S. Sattely 等人在 Nature 雜志發(fā)文，宣布其開發(fā)了一種“多重擾動 × 單核轉(zhuǎn)錄組（mpXsn）”技術(shù)，在復(fù)雜的紫杉基因組中高分辨率地識別出紫杉醇生物合成通路的多個關(guān)鍵模塊，首次發(fā)現(xiàn)了 8個此前未知的合成相關(guān)基因，包括解決首步氧化效率低下問題的NTF2樣蛋白和多個非典型修飾酶，補全了紫杉醇合成通路的缺失環(huán)節(jié)。并在煙草中成功實現(xiàn)了紫杉醇重要前體——巴卡汀 III 及其衍生物的從頭合成。

該研究不僅為紫杉醇的可持續(xù)異源合成提供了重要突破，也建立了一種可推廣至其他復(fù)雜天然產(chǎn)物合成研究的策略框架。值得一提的是，研究中所用的紫杉素和 13-乙酰基-9-羥基巴卡汀 III 均來自 TargetMol噢，大咖的選擇，值得信賴！！
 

多重擾動 × 單核轉(zhuǎn)錄組（mpXsn）技術(shù)
為解析完整的紫杉醇生物合成基因組，研究人員開發(fā)了一種新方法——多重擾動 × 單核轉(zhuǎn)錄組（mpXsn）。該方法通過將不同處理條件下的樣本（如不同激素、微生物、誘導(dǎo)劑處理過的葉片）統(tǒng)一進(jìn)行單細(xì)胞水平轉(zhuǎn)錄組分析，從而在一個實驗中高通量測試數(shù)百種“擾動條件”，極大提高了 篩選效率 和基因表達(dá)模式的 分辨率。
 

▲mpXsn方法概述

相比于傳統(tǒng)的 bulk RNA-seq 方法，mpXsn 在識別紫杉醇合成相關(guān)基因方面表現(xiàn)更優(yōu)，分辨率較傳統(tǒng)方法提升100倍，成功提升了對生物合成通路的解析能力。

隨后，研究人員對 mpXsn 數(shù)據(jù)集進(jìn)行深入分析，將紫杉醇生物合成基因劃分為3個獨立轉(zhuǎn)錄模塊：早期萜烯合成、中游氧化 和 后期修飾。其中，模塊1包含了紫杉醇合成早期通路的所有關(guān)鍵基因，如TDS、T5αH、TAT、T10βH 和 DBAT等。
 

▲紫杉醇生物合成的三個基因模塊

▲FoTO1的發(fā)現(xiàn)與功能

除 FoTO1 外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了另外7個關(guān)鍵基因，包括 T9αH-750C、T7AT、T9dA、T7dA、T1βH-184、T1βH-686 以及 PCL。這些基因參與了紫杉醇生物合成的不同步驟，如氧化、乙酰化和去乙酰化等。

隨后，研究人員利用這些基因構(gòu)建了包含17個和20個基因的全新合成通路，分別在煙草中實現(xiàn)了巴卡汀III（紫杉醇直接前體）和 3’-N-去苯甲酰-2’-脫氧紫杉醇 的從頭合成，產(chǎn)量達(dá)到了 10-30 μg/g，與紅豆杉針葉天然含量相當(dāng)，經(jīng) NMR 驗證與標(biāo)準(zhǔn)品一致。
 

▲在煙草（Nicotiana benthamiana）中全合成紫杉醇前體baccatin III（16）和3’-N-去苯甲酰-2’-脫氧紫杉醇

小結(jié)
這項研究發(fā)現(xiàn)了8個此前未知的紫杉醇合成相關(guān)基因，并首次在煙草中實現(xiàn)了紫杉醇關(guān)鍵中間體 baccatin III 和 3’-N-去苯甲酰-2’-脫氧紫杉醇的從頭合成，產(chǎn)量與天然紅豆杉中相當(dāng)。

研究更新了傳統(tǒng)的紫杉醇合成模型，揭示了額外乙酰化和去乙酰化在合成中不可或缺的作用，且發(fā)現(xiàn)了 FoTO1 與 T5αH 的協(xié)作打破了 T5αH 單獨催化第一步氧化的傳統(tǒng)觀點。

此外，研究通過開發(fā)無需轉(zhuǎn)基因工具的 mpXsn 技術(shù)，從多種擾動狀態(tài)下的細(xì)胞中高效識別生物合成通路基因，為解析植物次生代謝網(wǎng)絡(luò)提供了新策略，并為非模式物種功能基因組學(xué)研究開辟了新路徑。

科研助力
自然界創(chuàng)造了幾乎無窮無盡的分子實體，為藥物研發(fā)特別是新型藥效團的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了無限資源。在全球范圍內(nèi)，天然產(chǎn)物自古以來一直都是傳統(tǒng)治療的支柱。植物作為藥物治療疾病具有悠久的歷史，植物來源的化合物具有更好的耐受性和可接受性。

迄今為止，已對35,000-70,000種植物進(jìn)行了藥用篩選。半合成純藥物阿司匹林，是基于從白柳中分離出的天然產(chǎn)品水楊苷，由拜耳于1899年推出。此后陸續(xù)分離出了多種早期藥物，如洋地黃毒苷、奎寧和毛果蕓香堿等，其中一些仍在使用中，以及其他一些近期出現(xiàn)的植物衍生化合物，這些化合物經(jīng)過開發(fā)并已作為藥物銷售，其中包括:來自短葉紅豆杉的紫杉醇，用于肺部、卵巢癌和乳腺癌；青蒿素來自中國傳統(tǒng)植物青蒿，用于對抗多藥耐藥性瘧疾；水飛薊素從水飛薊種子中提取，用于治療肝臟疾病。 

當(dāng)下，紫杉醇相關(guān)研究如火如荼，TargetMol 植物來源化合物庫精選3163 個植物來源天然產(chǎn)物的獨特集合，具有良好的成藥潛力，可用于天然產(chǎn)物來源的化合物篩選和新藥研發(fā)，歡迎私信了解詳情~