昆明植物所在喜树碱C-9位后修饰酶的发现取得最新进展
喜树碱，系一类重要的单萜吲哚生物碱，主要存在于喜树（Camptotheca acuminata）、青脆枝（Nothapodytes nimmoniana）和短小蛇根草（Ophiorrhiza pumila）等植物中。喜树碱可以选择性地结合DNA拓扑异构酶I并抑制其活性，从而发挥抗肿瘤活性。然而喜树碱的获取和衍生化面临着极大挑战，国内外学者对喜树碱类似物的化学半合成和全合成进行了大量研究，并积累了丰富的喜树碱衍生物的构效关系数据。例如在喜树碱C-9位或C-10位引入羟基、硝基和氨基等活性基团，可进一步提高喜树碱的抗肿瘤活性和水溶性。临床上，两种C-10位羟基化的喜树碱衍生物——拓扑替康（Topotecan）和伊立替康（Irinotecan），已被美国FDA批准用于治疗肺癌、结肠癌和乳腺癌等实体瘤。抗体偶联药物（Antibody Drug Conjugate ，ADC）作为目前治疗癌症的一种有效策略，其也成功应用于喜树碱类药物的开发中——戈沙妥珠单抗Sacituzumab Govitecan和曲妥珠单抗Trastuzumab Deruxtecan已获得FDA批准用于治疗转移性乳腺癌。在自然界中，其他C-9位修饰的喜树碱类似物也展现出良好的抗肿瘤活性。例如，9-羟基喜树碱和9-甲氧基喜树碱对某些癌症细胞株也具有显著的抑制活性，因此C-9位修饰的喜树碱类似物在新型喜树碱抗体偶联药物的设计和创制方面具有潜在的应用价值。喜树碱的独特结构和显著的抗肿瘤活性吸引了许多学者对其生物合成途径解析的广泛关注。目前，喜树碱完整的生物合成途径尚未被完全解析，并且喜树碱C-9位的羟基化和甲基化等后修饰酶也未被发现。
中国科学院昆明植物研究所植物化学与天然药物重点实验室天然药物化学前沿交叉团队负责人黄胜雄研究员长期聚焦于重要药用生物碱的生物合成和调控机制解析，并取得了一系列研究成果。近期，该研究组以生产喜树碱的云南省特色植物毛假柴龙树（Nothapodytes tomentosa）为研究对象，结合代谢组和转录组数据分析，通过体外酶活验证、烟草瞬时表达和酵母体内功能验证等手段，首次从毛假柴龙树中鉴定了4条喜树碱C-9位后修饰酶相关基因，包括1条细胞色素CYP450（NtCPT9H），其负责喜树碱C-9位的羟化；2条O-甲基转移酶（NtOMT1/2），可催化9-羟基喜树碱的氧甲基化；以及1条UDP-糖基转移酶（NtUGT5），负责9-羟基喜树碱的糖基化。分子对接和定点突变实验阐明了NtCPT9H行使区域选择性氧化功能的3个关键氨基酸残基。最后通过亚细胞定位实验证明NtCPT9H定位于内质网上，而NtOMT1/2和NtUGT5定位于胞质中。针对喜树碱C-9位羟基化修饰酶的发现，专题组也申报专利一项。这些研究结果为利用代谢工程等手段异源合成喜树碱及其衍生物提供了遗传基础，并将加速新型C-9修饰喜树碱衍生物的创制，这对喜树碱类抗癌药物的创制和生产具有深远意义。
以上研究成果以Identification and characterization of camptothecin tailoring enzymes in Nothapodytes tomentosa为题，发表在Journal of Integrative Plant Biology，黄胜雄专题组的陈银博士研究生、黄建萍研究员和王永江博士后为本论文的共同第一作者。黄胜雄研究员为本论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和云南省“兴滇英才支持计划”等项目资助。
喜树碱后修饰酶体内和体外功能验证