―32―《生命的化学》1998年18卷6期紫杉醇的生物合成吴雪琼田朝霞梅兴国(华中理工大学生物系,武汉430074)关键词紫杉醇生物合成1.引言紫杉醇(Paclitaxel,商品名为Taxol),是从紫杉树皮中分离提取到的一种天然抗肿瘤物质。1992年,美国FDA已批准将其用于治疗难治的卵巢癌和转移性乳腺癌。紫杉醇独特的抗癌活性机制在于它属于有丝分裂抑制剂或纺锤体毒素,不但能抑制细胞的有丝分裂、纺锤体和纺锤丝的形成,从而阻止癌细胞的繁殖,而且能通过诱导和促进微管蛋白的聚合和装配,阻止微管发生解聚,使微管稳定,因而对于许多耐常规化疗药物的肿瘤有活性,应用前景十分广阔。现在,随着紫杉醇应用范围的不断扩大,该药的需求量远远大于供应量,药源短缺这一矛盾不断深化。为解决这一矛盾,国内外正积极发展相关技术以期开发紫杉醇的新来源,如化学全合成法、半合成法、人工栽培繁殖法、组织细胞培养法等等。其中,生物合成紫杉醇或利用生物转化方法对其结构进行修饰与改造以获取“第二代紫杉醇类抗癌药”将是最有希望的一条解决途径。对细胞培养中紫杉醇生物合成途径的研究,特别是对其中限速步骤的确定和调控,将大大提高细胞培养中紫杉醇的产量,使细胞培养的产业化成为可能,同时,对紫杉醇进行生物转化,以获得更高效、低毒的第二代紫杉醇类抗癌药也是十分必要的。2.紫杉醇的生物合成2.1母核的形成在90年代以前,人们对紫杉醇的生物合成途径起始阶段几乎一无所知。只是到近年来,科学家们才逐步揭开其神秘的面纱。1991年Nedea等通过(3R)[2-14C]和(3RS)(5RS)[5-3H]甲羟戊酸在T.canadensis植物体内的标记实验揭示了紫杉2]醇的母核是甲羟戊酸途径的产物[1、。1995年,华盛顿州立大学Croteau及其同事们终于确定了紫杉醇生物合成起始的一步,即紫杉醇A、、三环结构的形成[3]。反BC应是紫杉醇前体双牛基焦磷酸的环化,形成紫杉-4(5),11(12)-二烯(图1)。Heazri等已经从加拿大红豆杉中纯化到了能催化此环化作用的紫杉二烯(taxadiene)合成酶,并克隆和表达了该酶的基因。此环化作用被认为是相当慢的,因而是生物合成紫杉醇过程中最影响合成速率的一步。Croteau、lossF等也已经确定了紫杉二烯合成酶催化环化过程的详细机理。通过氘标记实验,他们发现分子内的质子转移是此环化反应的关键所在(图1)[6][4、5]。紫杉醇生物合成的下一步假设为紫杉-4(5),11(12)-二烯(a)转化成紫杉-4(20),11(12)-二烯-5-醇(b),然后4(20)-烯-5-氧功能团再生成相应的紫杉醇D环(图2),此反应还未被证实。直到1995年,科罗拉多州立大学的Williams等才首次获得紫杉-4(5),11(12)-二烯全合成的成功,并开始用同位素标记法研究其氧化的这一步也获得成功,证实了(a)转化为(b)假说的成立。他们还发现这一反应由紫杉二烯羟基化酶所催化,但此酶还未被克隆出来[4][7～12]。《生命的化学》1998年18卷6期―33―图1紫杉醇A、、三环结构的形成BC图2紫杉醇D环结构的形成2.紫杉醇侧链的合成华盛顿西雅图大学的Floss等对紫杉醇侧链的形成作了大量研究。1993年,他们通过使用稳定同位素标记的前体证明C-13侧链是苯丙氨酸而非由肉桂酸衍生而来,苯丙氨酸通过转氨酶作用生成B-苯丙氨酸和苯丙异丝氨酸,从而生成C-13侧链(图3)[13、15]14、Taxusbrevifolia组织内的标记实验证实侧链是连接在浆果赤霉素Ⅲ上而不是别的早期前体。然后用双标记实验得知苯丙异丝氨酸才是首先连接上浆果赤霉素Ⅲ的侧链前体。通过一系列实验,得出了如下结论(图3)[16～18]]:(1)浆果赤霉素是紫杉醇的一个前体;(2)侧链不是作为整体连上母核的,而是由苯丙异丝氨酸先连上母核;。Floss工作组又通过[13-H]和223[10-acetyl-H3,13-H1]浆果赤霉毒Ⅲ在―34―《生命的化学》1998年18卷6期图3紫杉醇侧链的形成及连接方式图4紫杉醇生物合成示意图(3)紫杉醇生物合成的最后一步是N脱苄基紫杉醇(s)的苯甲酰化作用。3.结束语综上所述,紫杉醇的母核结构是通过甲羟戊酸途径生成GGPP从而衍生得来,侧链由苯丙氨酸衍生而来,而母核上的酰化作用则由乙酸完成。法国Quebec大学的Zamir分别用标记的乙酸、甲羟戊酸及苯丙氨酸作实验,从而作出产物紫杉醇上出现标记的框图,生动表明了紫杉醇生物合成的途径(图4)[1]参考文献1.NedeaMEetal.TetrahedronLet,1992,33:5235～52362.Guer