导语

紫杉醇为临床上治疗多种恶性肿瘤最有效的化疗药物之一，需求量巨大。由于其天然含量低且化学合成困难，药源紧张，价格昂贵。当前，紫杉醇的生物合成被认为是一条有效解决其资源紧缺的可行策略。尽管紫杉醇的生物合成已经取得了巨大进展，但其完整生物合成途径至今尚未完成解析，尤其是介导形成紫杉醇分子中特征性药效基团—四元氧环结构单元 (oxetane ring) 相关酶及其酶学机制至今尚不十分清晰，亦是学术界讨论的热点。

前沿科研成果

紫杉醇四元氧环合酶及其反应机制

近日，中国医学科学院药物研究所戴均贵教授团队从稳产紫杉醇的曼地亚红豆杉愈伤组织中发现并功能鉴定了负责催化形成紫杉醇四元氧环的四元氧环合酶oxetane synthase (TmCYP1)，通过关键底物饲喂、同位素标记 (氘标记和18O标记)实验，结合化学计算等手段系统阐明了该P450酶介导紫杉醇四元氧环形成的酶学机制，为理解紫杉醇的生物合成提供了科学依据，亦为实现紫杉醇生物合成途径的完全解析和异源重构奠定了基础。

该研究通过化学合成两个关键底物1和2对四元氧环合酶TmCYP1进行了功能鉴定，发现TmCYP1能催化底物1生成一个主要四元氧环衍生物1a和一个次要4(20)-环氧化产物1b；而TmCYP1催化底物2仅能产生4(20)-环氧化产物2b。由此得出：四元氧环的形成需要C5位乙酰基的参与；C5位乙酰基存在或不存在，该酶均可催化4(20)-双键的环氧化反应。

图1. 四元氧环合酶TmCYP1功能鉴定（来源：Angew. Chem.）

为进一步研究四元氧环的形成机制，设计了两组同位素标记实验：C5位乙酰基的甲基氘标记实验和C5位乙酰氧基的羰基氧原子18O标记实验。通过本氏烟草底物饲喂发现底物中C5位氘标记的甲基迁移到了产物的C4位，而底物中的C5位18O标记的羰基氧原子出现在产物中与C4位直接相连的氧原子。上述同位素标记实验直接证明了在四元氧环的形成过程中，C5位的乙酰氧基迁移到C4位，在此过程中C5乙酰氧基的两个氧原子发生了互换。

图2. 同位素标记实验（来源：Angew. Chem.）

基于此，作者提出了四元氧环的形成机制：在四元氧环合酶作用下，4(20)-双键和C5-OAc之间发生氧化-重排，四元氧环的形成可能是一步协同反应。作者进一步通过DFT计算验证了该机制的合理性。

图3. 四元氧环形成机制（来源：Angew. Chem.）

随后，作者设计合成了其他6个不同氧化水平的底物用来探讨四元氧环合酶TmCYP1底物谱，发现该酶仅能催化高氧化水平的底物(至少5个氧取代的紫杉二烯)。该结果亦提示紫杉醇四元氧环的形成位于紫杉醇生物合成的后期阶段，与自然界中存在的紫杉烷类化合物结构特征和逻辑一致。

图4. 四元氧环合酶TmCYP1底物谱考察（来源：Angew. Chem.）

该研究发现并功能鉴定了负责紫杉醇四元氧环形成的四元氧环合酶，通过多种手段阐明了紫杉醇四元氧环的形成机制，为紫杉醇的完整生物合成途径解析和异源重构奠定了基础。

文章的第一作者为中国医学科学院药物研究所博士后李常康博士 (现已入选“协和青年学者支持计划”) 和博士生尹欣欣，通讯作者为解可波、戴均贵研究员。该项目得到了国家重点研发计划(2020YFA0908000)以及医科院医学与健康科技创新工程(No. 2021-I2M-1-029)的支持。

论文信息

A Cytochrome P450 Enzyme Catalyses Oxetane Ring Formation in Paclitaxel Biosynthesis

Changkang Li, Xinxin Yin, Shuai Wang, Songyang Sui, Jimei Liu, Xincheng Sun, Jinming Di, Ridao Chen, Dawei Chen, Yaotian Han, Kebo Xie, Jungui Dai

Angew. Chem.2024, DOI: 10.1002/anie.202407070

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