1. 引言
紫杉醇（paclitaxel）作为医学史上最成功的天然产物衍生药物之一，至今仍是治疗多种恶性肿瘤的基石化疗药物。其传统生产依赖濒危红豆杉植物提取，存在生态破坏和供应不稳定的严峻挑战。尽管半合成法利用更丰富的针叶提取前体10-脱乙酰巴卡亭Ⅲ（10-deacetyl-baccatin III）已成为主流商业策略，但可持续和可扩展的生产方式仍是迫切需求。合成生物学的兴起为复杂植物天然产物的绿色制造开辟了新途径，其在阿片类、大麻素、雷公藤红素和长春花碱等药物成功生产的案例，激励着研究人员攻克紫杉醇生物合成这一堡垒。近年来，随着红豆杉属高质量基因组图谱的公布及多组学资源的整合，一系列关键酶（如核转运因子2样蛋白FoTO1、形成氧杂环丁烷的P450酶、负责C2′α-羟基化的紫杉烷-2′-氧戊二酸依赖性双加氧酶T2′OGD和负责3′-N-苯甲酰化的紫杉烷-3′-N-苯甲酰转移酶T3′NBT）的成功鉴定，极大地推动了我们对紫杉醇完整生物合成途径的理解，并使得在植物和微生物宿主中重建该途径成为可能。
2. 解析紫杉醇生物合成通路的进展
紫杉醇的生物合成途径可大致划分为三个主要阶段。
阶段一：紫杉烷核心骨架的形成
途径的第一步由紫杉二烯合成酶（TXS）催化，它将通用的二萜前体香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）环化形成taxa-4(5),11(12)-diene（内型紫杉二烯，1）。TXS的晶体结构揭示其由三个α螺旋结构域组成。值得注意的是，该反应还产生少量异构体taxa-4(20),11(12)-diene（外型紫杉二烯，2），后者曾被推测为天然途径的起始物，但后续研究表明内型紫杉二烯才是主要产物。
阶段二：紫杉烷骨架的核心氧化修饰
该阶段涉及对C20烃骨架进行一系列复杂的氧化修饰。其中，细胞色素P450紫杉烷5α-羟化酶（T5αH; CYP725A4）长期以来被认为是催化第一个氧化步骤的关键酶，它将紫杉二烯转化为taxadien-5α-ol（3）。然而，在异源表达系统中，T5αH会产生大量副产物，如5(12)-oxa-3(11)-cyclotaxane（OCT），这些副产物在天然红豆杉中并未检测到，揭示了异源系统与天然生物合成背景间的显著差异。
2025年的突破性研究发现了一个关键调控组件——核转运因子2样蛋白FoTO1。在工程烟草中表达FoTO1可将早期途径的通量提高10至17倍，并能显著抑制副产物OCT的生成。研究表明，FoTO1作为一种代谢支架蛋白，与T5αH发生物理相互作用，增强了下游反应的特异性。更有趣的是，研究还发现双功能P450酶紫杉烷13α-羟化酶（T13αH; CYP725A2）在FoTO1存在下，即使没有T5αH也能支持taxadien-5α,13α-diol（6）的合成，这表明途径前两步存在功能冗余，增强了途径的鲁棒性并促进了紫杉烷的结构多样化。
随后的步骤包括由T5α-ol-O-乙酰转移酶（TAT）对3进行乙酰化，以及由紫杉烷10β-羟化酶（T10βH）、T13αH和10-脱乙酰巴卡亭Ⅲ-10-O-乙酰转移酶（DBAT）依次对C10和C13位进行氧化和乙酰化，最终形成5,10-二乙酰氧基-13-羟基-紫杉二烯（9）。
对紫杉烷9α-羟化酶（T9αH）的研究揭示了其功能多样性。研究发现，属于CYP750家族的T9αH-750C与先前表征的CYP725A家族成员（T9αH-725A）序列相似性极低，且二者表现出不同的底物偏好性，暗示它们可能在紫杉醇生物合成的不同分支中发挥作用。
途径继续向前推进，10的9α羟基被TAT乙酰化生成三乙酰化中间体11，该乙酰基团起保护作用，将在后续步骤中被移除。接着，由已知的紫杉烷2α-羟化酶（T2αH）和紫杉烷2α-O-苯甲酰转移酶（TBT）催化C2位的羟基化和苯甲酰化，得到13。后续，13经紫杉烷7β-羟化酶（T7βH）羟基化和紫杉烷C-7β-O-乙酰转移酶（T7AT）乙酰化，尽管7β-O-乙酰基在紫杉醇中不存在，但被证明对后期氧杂环丁烷的形成至关重要。
氧杂环丁烷的形成机制是途径解析的难点和焦点。近年来的研究取得了重大进展，提出了多种可能机制。赵等人发现CYP725A4（即T5αH）可催化连续环氧化反应最终形成氧杂环丁烷。蒋和李的团队则分别鉴定了紫杉烷氧杂环丁烷酶1（TOT1）及其同源物，它们能直接将紫杉二烯的烯烃部分转化为氧杂环丁烷，并提出了一种涉及分子内氧化-乙酰氧基重排的协同机制，强调了C5-O-乙酰基的关键作用。杨等人的同位素标记实验进一步支持了直接氧化-酰基重排机制，排除了环氧化物中间体的必要性。
在TOT1将15转化为16之后，两个氧戊二酸依赖性双加氧酶（OGD）——2-ODD184和2-ODD686被鉴定为紫杉烷1β-羟化酶（T1βH），催化生成巴卡亭VI。随后，两个去乙酰化酶DeAc898和DeAc1023逐步移除巴卡亭VI的C7和C9位乙酰基，产生9-二氢-13-乙酰巴卡亭III（9DHAB）。这些额外的乙酰化被推测为生物合成过程中的 transient 保护基团。最后，一个推测的C9氧化酶（T9ox）将9DHAB氧化为相应的C9酮，完成巴卡亭III形成的关键后期转化。
阶段三：从巴卡亭III到紫杉醇的晚期途径
最后阶段涉及将β-苯丙氨酸连接到巴卡亭III的C13羟基上，并进行两次额外修饰。该五步过程包括：苯丙氨酸氨基变位酶（PAM）将α-苯丙氨酸异构化为β-苯丙氨酸；β-苯丙酰辅酶A连接酶（PCL，如AAE-867.5）激活β-苯丙氨酸生成β-苯丙酰辅酶A；3′-氨基,13-苯丙酰转移酶（BAPT）将活化的侧链与巴卡亭III缩合形成N-去苯甲酰-2′-脱氧-紫杉醇；紫杉烷-2′-氧戊二酸依赖性双加氧酶（T2′OGD）催化侧链C2′位的羟基化，此步骤对紫杉醇的生物活性至关重要，且出乎意料地由OGD而非P450酶催化；最后，紫杉烷-3′-N-苯甲酰转移酶（T3′NBT）特异性地对N-去苯甲酰-紫杉醇进行3′-N-苯甲酰化，生成终产物紫杉醇。值得注意的是，DBAT、BAPT和T3′NBT这三种辅酶A依赖性转移酶均表现出较宽的底物特异性，使得晚期途径呈网格状分支结构，而非严格的线性顺序，这为合成生物学中的途径优化和新类似物开发提供了便利。
3. 紫杉醇生产的生物系统
紫杉醇生物合成途径的解析极大地推动了旨在实现其可持续、规模化生物制造的合成生物学努力。
3.1. 红豆杉细胞悬浮培养
细胞悬浮培养仍是生产紫杉醇的有效方法之一。通常采用两阶段策略：建立稳定的悬浮细胞系和诱导紫杉烷生物合成。化学诱导子（如茉莉酸甲酯）和基因工程（如过表达BAPT）已被证明能有效提高紫杉醇产量。随着几乎整个途径的阐明，通过靶向上游瓶颈系统性地提升悬浮培养中的紫杉烷产量成为可能。
3.2. 植物系统
植物为复杂植物天然产物的生物合成提供了类天然的细胞环境。其中，烟草已成为工程化紫杉醇生物合成途径的主要模型。通过叶绿体或细胞质定位表达TXS，并过表达MEP途径限速酶DXS等策略，已成功实现紫杉二烯的高产。近期研究更通过将GGPP和紫杉二烯生物合成从叶绿体重新路由至细胞质，使产量提升了十倍。蒋和麦克卢恩的团队通过瞬时表达多个紫杉烷生物合成基因，在本氏烟中重建了巴卡亭III的合成途径。梁等人则重建了下游途径，实现了从巴卡亭III到紫杉醇的生物合成。此外，番茄等替代植物平台也显示出潜力，例如在类胡萝卜素缺陷型番茄果实中成功生产了高纯度的紫杉二烯。
3.3. 微生物系统
微生物宿主为紫杉醇及其中间体的生产提供了可扩展、可控且具成本效益的平台。大肠杆菌因其遗传背景清晰、易于操作而被广泛应用，通过模块化代谢工程策略，其紫杉二烯产量已达到接近1 g∙L–1的高水平。然而，下游多个P450介导的氧化反应在大肠杆菌中表达存在挑战。相比之下，真核宿主酵母因其具备内膜系统和完善的翻译后加工机制，更适于表达膜结合和氧化还原活性酶。工程化酵母菌株已成功生产出含氧紫杉烷中间体。此外，能够利用光能和固定二氧化碳的蓝细菌作为一种可持续生产底盘也受到关注，已在集胞藻中实现了紫杉二烯-5α-ol的光合自养生产。
4. 结论与未来展望
紫杉醇生物合成途径的解析及其在异源宿主中的部分重建，标志着向可持续生产这一重要临床药物迈出了关键一步。展望未来，利用快速发展的代谢工程工具包有望解决紫杉醇生物合成中持续存在的挑战。在细胞内层面，辅因子优化（如工程化NAD(P)H的供应与循环）可改善氧化步骤的效率；亚细胞区室化（如将酶靶向过氧化物酶体或线粒体）可模拟植物细胞的代谢结构，保护宿主代谢；动态基因调控系统（如代谢物响应型生物传感器）可实现基因表达的实时精细调控，维持代谢稳态。在途径架构层面，模块化工程允许理性组装和优化途径组件。此外，合成微生物群落和共培养策略通过在不同菌株或底盘间分配途径模块，实现功能分工，能有效减轻细胞负担，提高途径稳定性和可扩展性。例如，将紫杉烷前体的生物合成途径分配在大肠杆菌和酵母之间建立互利共培养体系，已成功实现含氧紫杉烷的高效生产。这些策略突出了分布式生物合成对于复杂天然产物的潜力。总之，尽管重大障碍依然存在，但合成生物学、代谢工程和多学科创新的持续整合，正在迅速改变天然产物生物合成的格局，为实现高效、高产的紫杉醇生物制造铺平道路，并可为其他复杂植物源药物的异源合成提供范例。
