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“变废为宝”——重组酶法制备紫杉醇抗肿瘤药物

时间:2017-5-19 来源:药物所科研处 阅读:1664次

 

2017518,自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志全文在线发表了中国医学科学院药物研究所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(3127079630770229)、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III10-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垃圾财宝的华丽转身。

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Aβ-木糖苷酶水解XDTDT,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 mL10 mL50 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。

 

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