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“变废为宝”——重组酶法制备紫杉醇抗肿瘤药物

 

2017年5月18日,自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志全文在线发表了bobapp官方下载 天然药物活性物质与功能国家重点实验室朱平研究团队完成的题为“Improving 10-deacetylbaccatin III-10-β-O-acetyltransferase catalytic fitness for Taxol production”(提高10-去乙酰巴卡亭-III-10-β-O-乙酰转移酶底物适配性酶法合成紫杉醇)的研究论文,报道了通过蛋白质工程改善10-去乙酰巴卡亭III-10-β-O-乙酰转移酶对非天然底物10-去乙酰紫杉醇的适配性,实现以废弃物7-木糖-10-去乙酰紫杉醇为原料、中间经过10-去乙酰紫杉醇全酶法高效合成紫杉醇抗肿瘤药物。北京协和医学院已毕业博士研究生李炳娟为论文第一作者,朱平研究员为通讯作者。该研究先后获得国家自然科学基金(31270796,30770229)、国家“十二五”科技重大专项“综合性新药研究开发技术大平台”(2012ZX09301002-001-005)和北京协和医学院青年科研基金(3332015137)等项目资助。



紫杉醇是一个具有确切抗癌疗效的二萜化合物,自上市以来一直是销量最大的植物抗肿瘤药物,随着其适应症的增加和新剂型的开发,它的临床应用范围也随之扩大,国内外医药市场对紫杉醇的需求量仍旧有增无减,但其天然含量低微。在紫杉醇生物合成途径中,10-去乙酰巴卡亭III-10-β-O-乙酰转移酶(简称乙酰转移酶,DBAT)是关键酶之一,天然底物为10-去乙酰巴卡亭III,产物为紫杉醇合成的中间体巴卡亭III。10-去乙酰紫杉醇(DT)不是紫杉醇生物合成的中间体,但结构十分相似,只要在其C-10位羟基乙酰化即成为紫杉醇(Taxol)。紫杉醇的另一结构类似物7-木糖-10-去乙酰紫杉醇(XDT)与10-去乙酰紫杉醇相比又在其C7位多了一个木糖基(见下图),该产物在红豆杉,尤其是在中国红豆杉和西藏红豆杉等植物中含量十分丰富,最高可达0.5%,是紫杉醇的十余倍到数十倍,在提取紫杉醇时一般作为废弃物处理,既污染环境又造成资源浪费。



该研究证实,上述乙酰转移酶也能够乙酰化非天然底物DT为紫杉醇,但效率非常低下。研究团队通过蛋白质工程将其对DT的催化效率提高了近6倍。在前期研究中,研究团队已通过自主发现的来自香菇的新型β-木糖苷酶(代号LXYL-P1-2)能够高效地水解去除XDT的木糖基生成DT 。在此次报道中,他们把优化后的乙酰转移酶和该β-木糖苷酶进行一锅法体外酶促反应,即在同一个反应体系中,经过两酶的“通力”合作直接将XDT转变为紫杉醇(Taxol)(见下图)。这种离体合成生物学(in vitro synthetic biology)方法实现了废弃物XDT由“垃圾”变“财宝”的华丽转身。



上述研究力求将含量数十倍于紫杉醇的结构类似物转变成紫杉醇,不仅具有潜在的经济价值和社会意义,而且具有重要的环保意义。



 



图 由7-木糖-10-去乙酰紫杉醇经一锅法全酶促合成紫杉醇示意图及部分研究结果.



说明:左:一锅法反应体系包含专一性β-木糖苷酶、经蛋白质工程改造后的10-β-乙酰转移酶、底物XDT和乙酰基供体乙酰辅酶A,β-木糖苷酶水解XDT为DT,之后,乙酰转移酶乙酰化DT为紫杉醇。右上:一锅法反应(体积分别为1 mL、10 mL、50 mL)后高效液相色谱法(HPLC)测得的紫杉醇产量;右下:50 mL体系反应后的HPLC测定结果。



 



论文链接



 



 



 



 



 



 

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