_ Progresul în biosinteza taxolului ar putea duce la producția pe scară largă de medicamente anticancer

Paclitaxel este cel mai bine vândut medicament împotriva cancerului pe bază de plante din lume și unul dintre cele mai eficiente medicamente anticancer din ultimii 30 de ani. Este utilizat pe scară largă în tratamentul diferitelor tipuri de cancer, inclusiv cancerul de sân, cancerul pulmonar și cancerul ovarian.

La sfârșitul anilor 1990 și începutul secolului XXI, vânzările anuale de paclitaxel au depășit 1,5 miliarde USD și au atins 2,0 miliarde de dolari în 2001, făcându-l cel mai bine vândut medicament în 2001. În 2019, piața pentru paclitaxel și derivatele săi a fost de aproximativ 15 miliarde de dolari și este de așteptat să ajungă la 20 de miliarde de dolari până în 2025.

Ca un Medicamentul anticancer, structura moleculară a paclitaxelului este extrem de complexă, cu inele cu punte complicate, extrem de oxidate și 11 stereocentri, ceea ce îl face recunoscut pe scară largă ca unul dintre cele mai dificile produse naturale de sintetizat chimic. De când prima sinteza totală a paclitaxelului a fost raportată de grupurile de cercetare Holton și Nicolaou în 1994, peste 40 de echipe de cercetare au fost implicate în sinteza totală a paclitaxelului.

Cu toate acestea, chiar și pe cea mai scurtă cale de sinteză chimică. până în prezent, randamentul total de paclitaxel este de numai 0,118%, ceea ce nu satisface cererea de producție industrială. În prezent, producția industrială de paclitaxel folosește o strategie semi-sintetică: izolarea precursorilor de paclitaxel (cum ar fi baccatina III) din culturi de celule vegetale sau frunze de Taxus și apoi transformarea lor în paclitaxel prin metode chimice. Cu toate acestea, strategia semi-sintetică se bazează în mare măsură pe resurse naturale și este limitată de creșterea lentă a celulelor sau a frunzelor Taxus și, prin urmare, nu poate satisface cererea în creștere a pieței.

Odată cu dezvoltarea rapidă a biotehnologiei, biologiei sintetice strategiile pentru biosinteza microbiană a produselor naturale din plante au apărut ca o abordare puternică pentru producerea eficientă a produselor naturale complexe din plante.

Prin urmare, obținerea unei producții eficiente, ecologice și durabile de paclitaxel prin biologia sintetică a atras atenția pe scară largă. . Cu toate acestea, realizarea sintezei de novo a paclitaxelului într-un sistem heterolog necesită identificarea enzimelor cheie care lipsesc în calea de biosinteză a paclitaxelului și stabilirea unei rute biosintetice complete pentru paclitaxel.

Pentru a aborda provocarea de lungă durată a biosintezei paclitaxelului. în Taxus, două echipe de cercetare conduse de prof. Jianbin Yan (Institutul de Genomică Agricolă din Shenzhen, AGIS) și prof. Xiaoguang Lei (Universitatea din Beijing, PKU), precum și alte echipe de cercetare din alte cinci instituții diferite, inclusiv Universitatea Tsinghua și UCLA, au au colaborat împreună pentru a identifica cu succes enzimele lipsă și pentru a realiza reconstituirea enzimelor biosintetice care duc la baccatina III.

Cercetătorii au folosit un sistem de expresie heterologă de tutun pentru a efectua screening-ul activității familiei de gene CYP725A găsite în mod specific în Taxus prin intermediul strategia de co-injectare a substratului. Ei au identificat cu succes o enzimă biosintetică numită Taxanoxetanază (TOT) care catalizează formarea inelului oxetan în timpul căii de biosinteză a taxolului.

TOT catalizează formarea inelului oxetan unic prin oxidarea C4,20. dublă legătură și rearanjarea ulterioară a grupării acetil adiacente la poziția C5, așa cum este descris în. Acest nou mecanism de reacție al formării inelului oxetanic rupe înțelegerea convențională conform căreia formarea inelului oxetanic în calea de biosinteză a taxolului se realizează printr-o reacție de rearanjare a epoxidului corespunzător. .

Între timp, concentrându-se pe compusul mai simplu din punct de vedere structural, taxusin, cercetătorii au identificat 17 gene candidate care codifică enzime responsabile pentru oxidarea C9 a taxanilor utilizând analiza co-expresiei și analiza metabolismului. Aceste gene candidate au fost supuse în continuare la screening-ul activității prin reconstruirea căii de biosinteză a taxinei în tutun, ceea ce a condus la descoperirea enzimei responsabile de oxidarea C9 în taxani, care a fost numită Taxane 9α hidroxilaza (T9αH).

Cu Aceste două enzime TOT și T9αH nou identificate în mâini, cercetătorii au încercat să obțină biosinteza totală a baccatinei III în tutun prin co-exprimarea lor cu alte gene biosintetice cunoscute ale taxolului. Ei au detectat cu succes producția de baccatin III în tutun atunci când TOT și T9αH au fost co-exprimate cu alte 7 gene biosintetice cunoscute (TXS, T5αH, T13αH, T2αH, T7βH, TAT și TBT). Mai mult, ei au demonstrat că aceste nouă gene sunt genele de bază pentru biosinteza baccatinei III, deoarece fiecare genă este indispensabilă pentru biosinteza baccatinei III în tutun.

Studii biochimice ulterioare au arătat că aceste gene de bază prezintă o sinergie funcțională strânsă. și sunt co-reglate de hormonul vegetal jasonat, demonstrând modele similare de expresie de inducție și o corelație puternică a expresiei. Prin combinarea analizei de localizare subcelulară și a altor rezultate experimentale, cercetătorii oferă o imagine de ansamblu completă a procesului de biosinteză al baccatinei III.

Sustratul de pornire GGPP este catalizat de TXS pentru a forma taxadienă în cloroplaste. Ulterior, taxadiena este transferată în citoplasmă prin locurile de contact ale reticulului plastidă-endoplasmatic și suferă o cataliză concertată de către șase oxidaze legate de membrană (T2αH, T5αH, T7βH, T9αH, T13αH și TOT) ancorate în reticulul endoplasmatic și două acyl citoplasmatice. transferaze (TAT și TBT), ducând în cele din urmă la formarea baccatinei III.

În rezumat, acest studiu, care a fost publicat recent în Science, combină analiza omică multiplă și validarea funcțională extinsă pentru a identifica cu succes cheie lipsă. enzime din calea de biosinteză a paclitaxelului. Acesta dezvăluie un mecanism nou prin care celulele vegetale catalizează formarea inelelor de oxetan și descoperă cea mai scurtă cale pentru biosinteza heterologă a paclitaxelului.

Prin co-exprimarea a 9 enzime de bază în tutun, cercetătorii obțin bioproducția precursorului paclitaxelului. baccatin III, punând bazele producției pe scară largă de paclitaxel și, de asemenea, oferind îndrumări teoretice pentru studiile de biosinteză pe sute de alte produse naturale de taxani.

(Fluierul)