Science！首都医科大学黄璐琦院士/胡雅婷团队酿酒酵母从头合成抗癌药物依托泊苷前体

依托泊苷和替尼泊苷是临床常用的两类抗癌药物，前者被世界卫生组织列为基本药物并用于小细胞肺癌的一线治疗，后者则在白血病和某些脑部肿瘤的治疗中发挥着关键作用，它们的生产却长期受制于一种生长在喜马拉雅高海拔地区的濒危植物——西藏鬼臼。该植物需要至少五年才能在根茎中积累足够的前体鬼臼毒素，后续化学半合成还要经过十多个步骤并且总产率不到百分之二十，这种依赖野生植物资源和复杂化学转化的传统模式使得全球供应链非常脆弱。2026年7月31日，首都医科大学胡雅婷教授和黄璐琦院士团队在《Science》杂志发表题为“Enabling sustainable supply of the essential cancer medicines etoposide and teniposide in yeast”的研究论文，他们通过在酿酒酵母中重构包含六十多处基因编辑和四十五个异源酶的复杂生物合成途径，实现了直接前体4'-去甲基-表鬼臼毒素-4-O-葡萄糖苷的从头生产，并且仅通过一步温和的化学反应就将该前体转化成了依托泊苷和替尼泊苷，为这类重要抗癌药的可持续供应提供了一条全新的生物制造路线。首都医科大学中医药学院博士毕业生（现中国中医科学院博士后）沈思雨为论文第一作者。

从西藏鬼臼的基因组中，研究团队系统挖掘了三百五十四个候选UGT基因并利用转录组表达谱锁定了二十一个高表达候选者，体外酶活实验证实UGT709AX1能够催化鬼臼毒素类苷元C-4位的高度区域选择性糖基化，该酶对底物4'-去甲基-表鬼臼毒素的糖基化产物正好是依托泊苷和替尼泊苷合成的直接前体，团队还同时鉴定了UGT73FC1和UGT73FC2两个同源酶，它们特异性地催化C-4'位羟基的糖基化修饰并生成了另外几种糖苷衍生物。这些糖基转移酶的发现补齐了长期缺失的关键合成步骤，也使得在异源宿主中完整重构鬼臼毒素类木脂素生物合成途径成为可能。

在松柏醇模块的构建中，植物来源的4CL/CCR/CAD途径在酵母中仅产生每升四毫克的松柏醇并且严重抑制了细胞生长，研究团队转而采用细菌和真菌来源的羧酸还原酶来构建一条非天然还原途径，产量随即提升到了每升三十毫克。借助AlphaFold3指导的蛋白质结构域交换策略，他们构建了四十八个嵌合CAR变体并筛选得到最优嵌合体Mm-NiCAR，该变体将松柏醇产量进一步提高到每升三十五毫克，后续通过增强S-腺苷甲硫氨酸和NADPH辅因子供应、筛选最优醛还原酶以及增加基因拷贝数等组合优化，最终菌株HY114在摇瓶发酵中达到了每升八十九毫克的松柏醇产量，相比初始的植物途径菌株提升了大约四十五倍。

松柏醇需要经过氧化偶联形成具有8-8'手性连接的(+)-松脂醇才能进入下游木脂素途径，研究团队评估了多个漆酶和指导蛋白的组合并发现截短信号肽后的trN7-TsLAC3与来自五味子的trN28-ScDIR组合效果最佳，该组合使(+)-松脂醇产量达到每升四毫克。通过整合筛选得到的SHPLR3和SDSH等高效酶，并且对两个CYP450酶进行N端截短优化和还原伴侣筛选，团队在菌株SH24中实现了(-)-鬼臼毒素的从头合成，产量达到每升三百五十七微克。他们随后在(-)-鬼臼毒素生产菌株上搭建了一个即插即用的模块化平台，分别引入四个CYP450酶和两个UGT的不同组合后成功合成了包括鬼臼毒素、表鬼臼毒素、4'-去甲基衍生物和β-盾叶鬼臼素在内的十二种鬼臼毒素类衍生物，其中目标前体4'-DMEPI-4-O-Glc在菌株SH34中的积累量为每升三十六微克。针对UGT709AX1催化效率不足的问题，研究团队基于Chai-1生成的三元复合物模型进行了结构指导的蛋白质工程改造，通过定点突变和组合装配获得的双突变体M7将催化效率提升了五倍，该突变体使目标前体的产量提高到了每升一百三十二微克。

在化学转化环节，研究团队以生物合成的糖苷前体为原料在无水乙腈和氮气保护条件下利用樟脑磺酸催化选择性缩醛化反应，以百分之八十九的产率得到了依托泊苷，利用无水氯化锌和2-噻吩甲醛作为缩醛化试剂则以百分之六十五的产率得到了替尼泊苷，整个化学转化仅需一步并且无需任何繁琐的保护基操作。这条化学酶法路线将传统依赖多年生植物种植和超过十步化学合成的生产模式彻底转变为三天的发酵过程和一步温和的化学转化，该工作建立的模块化酵母平台也为鬼臼毒素类木脂素家族其他成员的可及性拓展和新型类似物的发掘提供了通用的技术支撑。

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