全 文 ：·特约综述· 2015, 31(4):56-64
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2015-01-20
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31170628，31300567），中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（RIF2014-01）
作者简介 ：邱德有，男，研究员，研究方向 ：植物次生代谢，E-mail ：qiudy@caf.ac.cn ；张彬，男，硕士研究生，研究方向 ：生物领域专利
审查研究，E-mail ：zhangbin_1@sipo.gov.cn ；张彬同为本文第一作者
紫杉醇（Taxol）是红豆杉属植物中的一种二萜
类化合物。红豆杉（Taxus）又名紫杉，为红豆杉科
红豆杉属植物。全世界共有 11 个种，我国有 4 个
种和 1 个变种，即东北红豆杉（T. cuspidata Sieb. Et.
Zucc）、 云 南 红 豆 杉（T. yunnanensis Cheng et L. K.
Fu）、西藏红豆杉（T. wallichiana Zucc）、中国红豆杉
（T. chinensis （Pilger）Rehd）和南方红豆杉（T. chin-
ensis （Pilger）Rehd. var. mairei （Lemee rt levl）Cheng
et L. K. Fu）。早在 1971 年，Wani 等［1］就从短叶红
豆杉（T. brevifolia）中分离出了这种二萜化合物紫
杉醇，并发现它具有很强的抗肿瘤能力。紫杉醇作
为最为有效的天然抗癌药物之一，目前与其半合成
类似物多烯紫杉醇一起已经成为临床上使用最广泛
的癌症化疗药物。由于紫杉醇在红豆杉中的含量很
低（约占树皮干重的 0.01%-00.2%）加之红豆杉属
植物生长缓慢，资源量少，所以过去一段时间内供
求矛盾突出。这对紫杉醇的进一步开发利用造成了
很大的困难。为了解决这一问题，国内外在高产紫
杉醇红豆杉的筛选、化学全合成及半合成、细胞培养、
真菌发酵等研究方面进行了探索，取得了一定的成
绩，但离彻底解决紫杉醇的高效供应问题还有一段
距离。
可以想象在未来的一段时间内，紫杉醇及其半
合成前体的供应将继续依赖于生物学方法，即通过
紫杉醇生物合成研究历史、现状及展望
邱德有1  张彬2  杨艳芳1  邵芬娟1  滕文静2
（1. 中国林业科学研究院林业研究所 林木遗传育种国家重点实验室，北京 100091 ；
2. 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190）
摘 要 ： 紫杉醇是从红豆杉中分离出来的一种二萜类化合物，是目前临床上使用最广泛的抗癌药物之一。回顾了紫杉醇生
物合成的研究历史，主要包括参与红豆杉紫杉醇生物合成的结构基因、调控基因、红豆杉代谢组、内生真菌紫杉醇生物合成研究
历史以及国际上紫杉醇生物合成专利情况等。介绍了近年来红豆杉和内生真菌紫杉醇生物合成研究的现状。最后探讨了本领域未
来的研究方向并对其前景进行展望。
关键词 ： 紫杉醇 ；生物合成 ； 现状 ；前景
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.004
History，Current Status and the Prospects of Taxol Biosynthesis
Research
Qiu Deyou1 Zhang Bin2 Yang Yanfang1 Shao Fenjuan1 Teng Wenjing2
（1. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，the Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091 ；
2. Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100190）
Abstract: Taxol is a diterpene isolated from Taxus. It is one of the most widely used compounds in the treatment of lung, ovarian and
breast cancer. In this paper, the history of taxol biosynthesis research, its current status and the present research progress are reviewed. The
future directions as well as the prospects of taxol biosynthesis research are also discussed.
Key words: taxol ； biosynthesis research ； current status ； the prospects
2015,31(4) 57邱德有等：紫杉醇生物合成研究历史、现状及展望
红豆杉植物或者红豆杉细胞培养来获得。更进一步，
也可通过基因操作提高红豆杉细胞和微生物中紫杉
醇生物合成相关酶编码基因的表达量来提高紫杉醇
的产量。所以，紫杉醇生物合成的研究是解决紫杉
醇问题的关键。
鉴于此，本文回顾了紫杉醇生物合成的研究历
史，主要综述了参与红豆杉紫杉醇生物合成的结构
基因、调控基因、红豆杉代谢组、内生真菌紫杉醇
生物合成的研究历史以及国际上紫杉醇生物合成专
利情况等，其次介绍近年来红豆杉和内生真菌紫杉
醇生物合成研究的现状，最后对本领域未来的研究
方向及其前景进行展望，旨在为有关研发工作提供
一定的参考和借鉴作用。
1 紫杉醇生物合成研究的历史
1.1 参与紫杉醇生物合成的结构基因
从紫杉醇合成前体牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸
（geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP） 到 紫 杉 醇 的
合成约需 20 步酶促反应，主要包括 GGPP 合成酶，
紫杉二烯合成酶（taxadiene synthase，TS），羟基化
酶、酰基化酶和变位酶等，它们分别是 GGPP 合成
酶、紫杉二烯合成酶、紫杉烷 5α- 羟基化酶、紫杉
烷 10β- 羟基化酶、紫杉烷 1α- 羟基化酶、紫杉烷
2β- 羟基化酶、紫杉烷 7β- 羟基化酶、紫杉烷 9α- 羟
基化酶、紫杉烷 13α- 羟基化酶、紫杉烷 2α-O- 苯甲
酰基转移酶、紫杉烷 10β-O- 乙酰基转移酶、紫杉醇
侧链 N- 苯甲酰基转移酶、紫杉醇侧链 C2- 羟基化酶、
紫杉烷 C-13-O- 苯丙烷侧链乙酰 CoA 酰基转移酶、β-
苯丙氨酸变位酶、乙酰 CoA 连接酶、β- 苯丙氨酸水
解酶、9α- 羟基氧化酶、4，20 环氧化酶、环氧乙烷
环氧四环变位酶。紫杉醇生物合成基因的分离及鉴
定工作主要是由美国华盛顿大学 Croteau 教授领导的
实验室进行完成的，他们完成了这些酶编码基因中
的 12 个基因加上紫杉烷 14β- 基化酶和紫杉烷 5α-O-
乙酰基转移酶的编码基因的克隆和鉴定（表 1）。
早在 1996 年，Croteau 实验室的 Wildung［1］ 就
分离到了紫杉二烯合成酶（taxadiene synthase）的
基因。接着，Croteau 实验室 Hefner［2］克隆并鉴定
了牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（geranylgeranyl
pyrophosphate synthase，GGPPS）的编码基因。羟基
化酶编码基因的克隆和鉴定工作主要由 Croteau 实
验 室 的 Anne Schoendorf、Stefan Jennewen、Mydoanh
Chau、Mark R. Wildung 等人完成，而酰基化酶编码
基因的克隆和鉴定工作主要由该实验室的 Kevin D.
Walker、Daniela Hampel、Mark R. Wildung 等人完成
的，而 β- 苯丙氨酸变位酶编码基因的克隆和鉴定工
作则是由 Kevin D. Walker 等人完成。此外，Hampel
等［15］从红豆杉中分离出了两个使红豆杉细胞代谢
物紫杉素（Taxusin）酰基化的酰基转移酶基因（TAX9
和 TAX14），这些基因促使代谢流无法走向紫杉醇。
该发现为今后利用基因抑制及敲除等技术手段促进
紫杉醇及其前体的生物合成提供了一个新的思路和
理论基础。值得一提的是尽管该实验室的 Raymond
Ketchum、Yousun Kim 和 Deyou Qiu（ 邱 德 有 ） 等
人虽然没有直接参与有关基因的克隆，但他们所
培养的红豆杉细胞以及所做的有关代谢组学的分析
等努力为上述一些的基因克隆工作提供不可或缺的
细胞材料和研究思路，贡献也不容忽视。2011 年，
Köksal 等［16］对紫杉二烯合成酶的晶体结构进行了
分析，此项工作为今后通过蛋白质工程技术改造紫
杉二烯合成酶来进一步提高其活性奠定了一个结构
基础。
近年来，国内外其它研究者也陆续地开展了紫
杉醇生物合成基因的克隆及表达的工作。关于国内
外参与紫杉醇生物合成的结构基因研究的具体概况
以及紫杉醇生物合成部位的研究历史，我们之前的
综述性文章作了详细地介绍［17-19］，这里就不再重复。
1.2 参与紫杉醇生物合成的调节基因
1.2.1 参与紫杉醇生物合成调节的转录因子 除了
红豆杉中参与紫杉醇生物合成的结构基因之外，研
究者还对参与紫杉醇生物合成调节的转录因子开展
了一定的研究。转录因子在植物次生代谢途径中起
到重要的调控作用，能够调控不少次生代谢物质的
产量。参与植物次生代谢生物合成调控的转录因子
主要有 MYB、AP2/EREBP、WRKY、bHLH、MADS-
box 和 bZIP 等这几类家族。目前人们已经报道了一
些关于参与紫杉醇生物合成调控的转录因子。例如，
姚瑞枫等［20］利用酵母单杂交技术对与紫杉醇生物
合成途径中的 dbat 基因启动子的顺式元件相结合的
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.458
转录因子进行了筛选工作，得到了 6 个结合蛋白的
编码基因。戴怡龄［21］从东北红豆杉中分离、克隆
到两个 AP2 类转录因子，其中 TcDREB 能与紫杉醇
合成途径中的 TS、T5H、T10H 和 T13H 四个关键酶
编码基因的启动子相结合。Li 等［22］从中国红豆杉
细胞中克隆了 DBAT 基因长度为 1 740 bp 的 5 端片
段，他们利用该基因片段作为诱饵，通过酵母单杂
交方法从中国红豆杉悬浮细胞所建立的 cDNA 文库
中成功地获得一个 WRKY 类转录因子 TcWRKY，并
发现 TcWRKY 的过量表达或者 RNAi 干扰抑制后都
可以分别增强或者降低 DBAT 基因的表达水平。
1.2.2 参与紫杉醇生物合成调节的非编码 RNA mi-
RNA（microRNA） 是 一 种 内 生 的、 长 度 约 为 21-
22 nt、不编码蛋白质的单链小分子 RNA。研究发现
miRNA 通过转录切割或翻译抑制的方式调控基因的
表达，进而调节生物体的细胞生长、增殖、分化、
发育、代谢、凋亡、疾病发生等过程，在植物的生
命活动中起着非常重要的作用。Qiu 等［23］对中国红
豆杉细胞小 RNA 高通量测序表明，中国红豆杉有
56 个保守的 miRNAs，它们分属于 23 个 miRNA 家
族，另外两个是非保守的 miRNAs。我们发现茉莉酸
甲酯（MeJA）诱导后 miR168 和 miR169 表达水平下
降，而 miR164 和 miR390 表达水平上调。此外，我
们还对受 MJ 诱导的主要保守 miRNAs 的靶基因进行
了预测。预测结果显示，所筛选出的小 RNA 不能作
用于所有已克隆的 15 个紫杉醇生物合成相关基因，
但发现中国红豆杉 miRNA 的靶基因许多是一些转录
因子，所以推测红豆杉细胞中的 miRNA 分子很可能
是通过作用于转录因子来影响紫杉醇生物合成的。
Hao 等［24］借助 illumina 测序技术，利用曼地亚红豆
杉叶子为材料对其小 RNA 和降解组进行了测序分
析，此研究获得了 871 个成熟 miRNA，869 个已知
植物 miRNA 家族的前体，并且他们还发现了 T13H
和 T2H 分别是 miR164 和 miR171 的可能的剪切靶
标。不过这些结果还需要用 RACE 等技术进行有关
miRNA 对靶基因切割的验证，甚至进行转基因的功
能验证。
1.3 红豆杉代谢组
代谢组学（Metabolomics）作为一种新技术也已
被应用到包括紫杉醇在内的红豆杉紫杉烷类研究工
作中。Ketchum 等［25］发现红豆杉细胞在添加茉莉酸
甲酯后，其 C-14 氧取代的紫杉烷的总含量由 5% 减
少到 2%，而紫杉醇、巴可亭 III 和 10- 去乙酰基巴
可亭 III 在内的 C-13 氧取代的紫杉烷则大为增加，
分别增加了 4.72%、无穷大和 4.12 倍。因此，紫杉
烷 14 β- 羟基化酶很可能是紫杉醇生物合成调控的一
个十分重要的靶标。Ketchum 等［26］利用代谢组学方
法结合同位素示踪技术，还进一步证实了紫杉烷 14
β- 羟基化酶和紫杉烷 13α- 羟基化酶所催化的反应
在紫杉醇生物合成中所起的关键调控作用。Tanaka
表 1 已克隆的 14 个紫杉醇生物合成相关基因
基因 编码区 /bp 基因登录号 基因缩写 参考文献
Taxadiene synthase 2586 U48796 TS ［1］
Geranylgeranyl diphosphate synthase 1182 AF081514 GGPPS ［2］
Taxadien-5α-ol-O-acetyl transferase 1317 AF190130 TAT ［3］
Taxane 2α-O-benzoyltransferase 1320 AF297618 TBT ［4］
Baccatin III ：3-animo-3-phenylpropanoyltransferase 1335 AY082804 BAPT ［5］
10-deacetylbaccatin III-10-O-acetyltransferase 1320 AF193765 DBAT ［6］
3-N-debenzoyl-2-deoxytaxol N-benzoyltransferase 1323 AF466397 DBTNBT ［7］
Taxane 5-alpha hydroxylase 1503 AY289209 T5H ［8］
Taxane 10-beta hydroxylase 1494 AF318211 T10H ［9］
Taxane 13-alpha hydroxylase 1458 AY056019 T13H ［10］
Taxane 2-alpha hydroxylase 1488 AY518383 T2H ［11］
Taxane 7-beta hydroxylase 1509 AY307951 T7H ［12］
Taxane 14beta-hydroxylase 1530 AY188177 T14H ［13］
Phenylalanine aminomutase 2094 AY582743 PAM ［14］
2015,31(4) 59邱德有等：紫杉醇生物合成研究历史、现状及展望
等［27］利用 LC-IT-TOF-MS 质谱技术对 1-5 年生的南
方红豆杉小苗中的紫杉烷类化合物进行了鉴定和分
离。国内研究者也开展了相关研究工作。如 Han 等［28］
对在层流剪切力作用下的东北红豆杉细胞进行了代
谢轮廓谱分析，成功地鉴定出了 65 个细胞内的代
谢物。Hao 等［29］在采用 illumina 测序技术对南方红
豆杉植株进行转录组测序工作的基础上，利用基因
数字表达谱技术（digital gene expression，DGE）进
一步分析了南方红豆杉根、茎、叶中紫杉醇生物合
成相关基因的表达水平，他们发现这些基因在根中
的表达量要高于茎、叶中的表达量。接着，他们利
用代谢组学技术中的超快液相色谱（ultra fast liquid
chromatography，UFLC）和质谱（mass spectrometry，
MS）技术对包括紫杉醇在内的 6 种常见的紫杉类化
合物在南方红豆杉植株根、叶中的含量进行了测定
和比较分析，结果发现这些紫杉烷类在南方红豆杉
根中的含量要明显高于它们在茎、叶中的含量，这
一结果与紫杉醇生物合成相关基因在根中的表达量
要高于茎、叶中的表达量的结果相吻合。
1.4 内生真菌紫杉醇生物合成
1993 年，美国蒙大拿州立大学 Strobel 实验室
的 Stierle 等［30］从短叶红豆杉的韧皮部分离到 1 株
产 紫 杉 醇 的 内 生 真 菌（Taxomyces andreanae）， 发
现该菌的发酵液含紫杉醇 24-50 ng/L。随后，该实
验室又从西藏红豆杉枝条上分离到 1 株小孢拟盘多
毛 孢（Pestalotiopsis microspora）， 紫 杉 醇 的 产 量 比
Taxomyces andreanae 高很多，发酵液的紫杉醇含量
高达 60-70 μg/L ［31］。尽管 Strobel 实验室用同位素
示踪的方法证明有关真菌能够合成紫杉醇并对真菌
中的质粒进行了研究，但他们并没有在这些真菌中
发现和克隆到任何紫杉醇生物合成基因。为此，黑
龙江大学的赵凯等［32］进行了一些尝试，他们采用
RT-PCR 技术从东北红豆杉树叶中获得了紫杉二烯
合成酶基因片段，并利用所获得的紫杉二烯合成酶
基因与紫杉醇产生菌 HQD33 基因组 DNA 进行了
Southern 杂交，初步结果证实了紫杉二烯合成酶的
编码基因可能存在于该内生真菌中，但后续的工作
却未见有进一步的报道。
1.5 国际上紫杉醇生物合成专利情况
国际上已有的紫杉醇生物合成的专利都是来自
Croteau 院士实验室。具体的发明专利情况，见表 2。
这些专利中，最早是在 1999 年授权，2019 年就到期，
而最晚的专利是 2008 年授权，要到 2028 年才过期，
距现在还有 13 年的时间。
2 紫杉醇生物合成研究现状
2.1 红豆杉紫杉醇生物合成研究现状
2.1.1 紫杉醇生物合成基因 紫杉醇的生物合成是
一个复杂的过程，包括四环骨架的构建和侧链的加
入。上文讲到 Croteau 实验室还有紫杉烷 9α- 羟基化
酶、紫杉醇侧链 C2- 羟基化酶（侧链 C2 位的细胞色
素 P450 氧化酶）、乙酰 CoA 连接酶以及 D 环形成酶
（4，20 环氧化酶、环氧乙烷环氧四环变位酶）的编
码基因没有克隆出来。最近，乙酰 CoA 连接酶和紫
杉烷 9α- 羟基化酶编码基因克隆工作取得了一些进
展，具体介绍如下。
乙酰 CoA 连接酶负责合成 β-amino phenylpropa-
noyl CoAs。密西根州立大学的 Kevin Walker 教授实
验室发现来自于微生物短短芽孢杆菌（Brevibacillus
brevis） 的 短 杆 菌 酪 肽 合 成 酶 A 具 有 CoA ligase 的
功 能， 能 够 合 成 α-phenylalanyl、β-phenylalanyl 和
phenylisoserinyl CoA，后二者正是参与紫杉醇生物合
成的前体。 该工作为今后克隆红豆杉细胞中的乙酰
CoA 连接酶提供了方向［33］。
中国医学科学院药物研究所戴均贵［34］课题组
发现银杏（Ginkgo biloba）悬浮细胞能特异性地对
2α，5α，10β，14β- 四乙酰氧基 - 紫杉 -4（20），11-
二烯 （sinenxan A，SIA）进行 9α 羟基化，表明银杏
细胞含有紫杉烷 9α- 羟基化酶的活性。这启示我们
如果找到银杏中紫杉烷 9α- 羟基化酶（taxoid 9alpha-
hydroxylase）编码基因，就有望在红豆杉细胞中发现
紫杉烷 9α- 羟基化酶，从而完善红豆杉紫杉醇生物
合成这一重要代谢途径。为此，2013 年邱德有实
验室与戴均贵课题组一起利用 Illumina 的 Genome
Analyzer IIx 对银杏（Ginkgo biloba）细胞的转录组
进行了高通量测序。通过测序，获得了银杏细胞
69 286 个 contig，56 387 个 scaffold，32 032 个 uni-
gene。 Unigene 平均长度 636 bp。通过分析 unigene 的
功能注释，发现 66 个 unigene 属于 CYP450 基因家
族，726 个 unigene 参与次生代谢物合成，其中 59
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.460
个 unigene 与 萜 类 合 成 有 关，17 个 unigene 与 二 萜
类合成相关，最后利用生物信息学方法从 Michigan
State University 银杏成熟叶、侧根、成熟果实、无
菌苗以及次生茎的转录组数据中找到了与银杏细
胞 CYP450 高度同源的紫杉烷羟基化酶候选基因 15
个［35］。接着，我们用无细胞蛋白合成体系（in vitro
cell-free protein synthesis assays） 结 合 LC-MS 分 析，
从中发现一个属于 CYP716B 的 P450 基因，它编码
的酶具有紫杉烷 9α- 羟基化酶的活性。我们利用银
杏细胞这一独特活性，在国际上率先从银杏细胞中
分离、克隆到紫杉烷 9α- 羟基化酶的基因（taxoid
9α-hydroxylase），这项工作为今后从红豆杉中克隆出
表 2 已授权的紫杉醇生物合成基因的专利
专利号 专利名称 申请日期 授权日期 专利状态 申请单位 发明人
7416872 Taxoid oxygenases and their uses 2005.10.3 2008.8.26 授权 WSURF Rodney B. Croteau，Anne Schoendorf，
Stefan Jennewein
7402417 P450 oxygenases and methods of
use
2004.7.21 2008.7.22 授权 同上 Rodney B. Croteau，Robert Long，
Stefan Jennewein
7153676 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
2000.9.29 2006.11.26 授权 同上 Rodney B. Croteau，Kevin D. Walker，
Anne Schoendorf，Mark R. Wildung
7005283 Cytochrome P450 oxygenases and
their uses
2004.7.1 2006.2.28 授权 同上 Rodney B. Croteau，Anne Schoendorf，
Stefan Jennewein
20040236089 Cytochrome P450 oxygenases and
their uses
2004.7.1 2004.11.25 授权 同上 同上
6818755 Nucleic acid molecules encoding
10-deacetylbaccatin III-O-acetyl
transferase and related products
2001.5.25 2004.11.16 授权 同上 Rodney B. Croteau，Kevin D. Walker，
Anne Schoendorf，Mark R. Wildung
6787343 Cytochrome P450 oxygenases and
their uses
2002.5.8 2004.9.7 授权 同上 Rodney B. Croteau，Anne Schoendorf，
Stefan Jennewein
20040005562 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
2002.6.10 2004.1.8 授权 同上 Rodney B. Croteau，Kevin D. Walker，
Anne Schoendorf，Mark R. Wildung
20030166176 Taxoid-14-beta-hydroxylases and
methods for their use
2003.1.29 2003.9.4 授权 同上 Rodney B. Croteau，Anne Schoendorf，
Stefan Jennewein
6610527 Compositions and methods for Taxol
biosynthesis
2000.6.13 2003.8.26 授权 同上 Rodney B. Croteau，Mark R. Wildung
20030108891 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
2002.9.18 2003.6.12 授权 同上 Rodney B. Croteau，Kevin D. Walker，
Anne Schoendorf，Mark R. Wildung
20030077796 Cytochrome P450 oxygenases and
their uses
2002.5.8 2003.4.24 授权 同上 Rodney B. Croteau，Anne Schoendorf，
Stefan Jennewein
20020168745 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
2001.5.25 2002.11.14 授权 同上 Rodney B. Croteau，Kevin D. Walker，
Anne Schoendorf，Mark R. Wildung
20020138859 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
2001.5.25 2002.9.26 授权 同上 同上
6287835 Transacylases of the paclitaxel
biosynthetic pathway
1999.11.7 2001.9.11 授权 同上 同上
6114160 Compositions and methods for taxol
biosynthesis
1999.5.20 2000.9.5 授权 同上 Rodney B. Croteau，Mark R. Wildung
6043072 Nucleic acids encoding Taxus
geranylgeranyl diphosphate
synthase，and methods of use
1998.11.5 2000.3.28 授权 同上 Rodney B. Croteau，Jerry L. Hefner
5994114 Compositions and methods for taxol
biosynthesis
1997.4.15 1999.11.30 授权 同上 Rodney B. Croteau，Mark R. Wildung
2015,31(4) 61邱德有等：紫杉醇生物合成研究历史、现状及展望
紫杉烷 9α- 羟基化酶的基因奠定了基础［36］。
2.1.2 红豆杉转录组 相对于传统的 Sanger 测序而
言，高通量测序技术被称为“下一代测序技术”。它
具有高测序产量和高解析度的优点。高通量测序一
次可以完成几十万到几百万条 DNA 分子序列的测
定，目前亦被广泛地应用于紫杉醇生物合成的研究
中。Sun 等［37］利用高通量测序技术对茉莉酸甲酯
（MeJA）诱导前后的曼地亚红豆杉细胞的转录组进
行了研究，结果发现在 29 个已知的二萜类化合物
骨架和紫杉醇生物合成相关的基因中有 18 个基因
的表达量在 MeJA 诱导后升高。通过 qRT-PCR（实
时荧光定量 PCR）技术验证了其中 9 个紫杉醇生物
合成相关基因的表达确实发生显著的上调，鉴定出
了多个可能参与紫杉醇生物合成未知步骤的候选基
因，并且发现了一些可能与有关红豆杉细胞紫杉醇
的运输和降解有关的基因。此外，我们还对潜在的
miRNA 进行分析，结果表明 miRNA 很可能在 MeJA
诱导后紫杉醇生物合成基因的表达调控中起着重要
作用［37］。华中农业大学的 Li 等［38］也对茉莉酸甲酯
（MeJA）诱导下的中国红豆杉细胞进行了转录组测
序分析，为进一步阐明 MeJA 诱导紫杉醇产生的分
子机理奠定了基础。Li 等的研究发现中国红豆杉细
胞多个网络途径受到了调控，包括植物组蛋白生物
合成和苯丙氨酸生物合成途径。除了 illumina 测序
平台之外，454 测序平台也已经被利用到红豆杉转
录组的研究工作中。Wu 等［39］利用 454 测序技术对
东北红豆杉的针叶进行了转录组测序分析，他们共
获得了 81 148 条高质量的短 reads，组装出了 20 557
条无重复的序列，包括 12 975 条 singletons 和 7 582
条 contigs，发现了多个紫杉醇生物合成的候选基因。
另外，Lenka 等［40］利用消减抑制杂交（Suppression
Subtractive Hybridization，SSH）法对 MeJA 处理不同
时间的东北红豆杉悬浮细胞进行分析，获取得到了
331 个 unigene 的信息，与转录组高通量测序技术相
比较，消减抑制杂交得到的信息资源略少，但它和
转录组测序高通量测序一样，也可以为今后开展红
豆杉紫杉醇生物合成未知基因的克隆提供思路。
2.1.3 紫杉醇合成生物学技术 美国麻省理工学
院 Gregory Stephanopoulos 教 授 研 究 组 的 Ajikumar
等［41］利用二萜生物合成上游的甲基赤藓糖醇途径
（methylerythritol-phosphate pathway，MEP）以及下游
萜类化合物合成通路中已知的基因信息，采取了一
个多元模块（multivariate-modular）的策略，使有关
基因的拷贝数和启动子的强度得到了最优化，结果
成功地在大肠杆菌中过量表达包括紫杉二烯合成酶
基因（TS）和紫杉烷 5α- 羟基化酶基因（T5H）在
内的两个合成紫杉醇前体的生物合成基因，大肠杆
菌培养物中紫杉二烯的水平达到 1 g/L，而紫杉二烯
5α- 醇（taxadiene 5α-ol）的产量也达到了（58±3）
mg/L，大大增加了大肠杆菌中这两种紫杉醇前体的
产量。最近，同一实验室发明了一种含不同紫杉醇
生物合成基因的大肠杆菌与酵母工程菌的共培养技
术，他们发现含紫杉烷 5α- 羟基化酶（T5H）及其还
原酶基因 CPR（即 5αCYP-CPR 基因）的酵母与含紫
杉二烯合成酶基因（TS）的大肠杆菌共培养 72 h 后，
紫杉二烯 5α- 醇的产量为 2 mg/L。进一步对上述酵
母中有关启动子及含紫杉烷二烯合成酶基因（TS）
的大肠杆菌进行优化后，两种优化菌株之间共培养
120 h 紫杉二烯 5α- 醇的产量达到了 33 mg/L。而当
含紫杉二烯 5α- 醇乙酰基转移酶基因（taxadien-5α-ol
acetyl-transferase gene，TAT）、紫杉烷 10β- 羟基化酶
（T10H）及其还原酶基因 CPR 以及紫杉烷 5α- 羟基
化酶（T5H）及其还原酶基因 CPR（即 5αCYP-CPR
基因）的工程酵母菌与经过优化的紫杉二烯合成酶
基因（TS）的大肠杆菌菌株共培养后，每升培养物
中紫杉二烯 -5α- 酯 -10β- 醇（taxadien-5α-acetate-10β-
ol）的产量达到了 30 mg/L［42］。这是国际上首个成功
用酵母菌和大肠杆菌两种微生物同时表达除还原酶
基因 CPR 之外的 4 个紫杉醇生物合成基因的例子。
这些工作为今后进一步利用合成生物学技术生产并
提高紫杉醇生物合成的能力奠定了良好基础，提供
了强有力的理论指导。
2.2 内生真菌紫杉醇生物合成研究现状
Heinig 等［43］ 在 2013 年报道了产紫杉醇内生
真菌 Taxomyces andreanae 的基因组测序和其中一些
二萜合成酶的测试结果，他们没有在该内生真菌中
发现紫杉二烯合成酶基因的存在，并认为从内生真
菌 Taxomyces andreanae 所检测到的紫杉醇是从其寄
主植物中吸收过来的，而不是内生真菌 Taxomyces
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.462
andreanae 本身所合成的。但这一结论显然与一些不
能产紫杉醇的植物（如柏树）等中也能分离到产紫
杉醇真菌的结果相矛盾。同年，Xiong 等［44］从曼地
亚红豆杉（Taxus×media）中分离到 81 个内生真菌，
其 中 芒 果 球 座 菌（Guignardia mangiferae）HAA11、
层出镰刀菌（Fusarium proliferatum）HBA29 和胶孢
炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）TA67 这 3 个
菌株能产紫杉醇。进一步测序发现 HBA29 菌株中
的 TS 基因和 HAA11 及 TA67 菌株中的 BAPT 基因
与寄主植物曼地亚红豆杉中的 TS 基因和 BAPT 基因
的一致性分别只有 40.6%、40.0% 和 44.1%，因此他
们认为产紫杉醇内生真菌与其寄主植物曼地亚红豆
杉之间很可能不存在水平基因转移现象。本实验室
在中国林业科学研究院中央公益基金项目“植物内
生真菌紫杉醇生物合成分子机理的研究”的资助下，
与中国农业大学的赖锦盛教授和美国波特兰大学的
Hoffman Angela 教授等合作，完成了榛子产紫杉醇内
生真菌 - 青霉菌（Penicillium aurantiogriseum NRRL
62431）的全基因组测序工作并进行了基因注释，成
功预测出 11 476 个基因。通过与红豆杉转录组进
行 Blast 比对等生物信息学分析，获得了如 GGPPS、
PAM、酰基转移酶和羟基化酶的编码基因等多个紫
杉醇生物合成相关的候选基因。研究发现内生真菌
中的紫杉醇生物合成候选基因与红豆杉等寄主植物
中的有关基因编码的氨基酸序列差异很大，同源性
低，具有明显不同的进化模式，与红豆杉等寄主植
物应该不存在水平基因转移事件。我们的结论推翻
了国际上流行的“水平基因转移”的假说，并为下
一步的研究提供了一个新思路和一批有用的基因资
源［45］。
3 展望
在过去的 20 多年时间里，科研工作者在紫杉醇
生物合成研究领域中取得了巨大进展，已经克隆获
得了十多个紫杉醇生物合成相关基因，但红豆杉细
胞中紫杉醇生物合成途径的研究需进一步推进和完
善，因为红豆杉紫杉醇的生物合成途径中还有多个
基因未被成功克隆、鉴定出来，这其中包括侧链 C2
位的羟基化酶、紫杉烷 9α- 羟基化酶、C9 位羰基形
成所需的酶和 D 环形成酶之编码基因。紫杉醇生物
合成途径剩余步骤的阐明及其有关基因的克隆与功
能鉴定需要一系列合适的中间体，而紫杉醇生物合
成途径中的中间体在红豆杉中往往含量很低或很快
被代谢掉，很难直接从植物本身中分离到，或者很
难用化学的方法人工合成。这是目前本领域所面临
的最关键的问题。一旦我们能够获得一些参与紫杉
醇生物合成途径未知步骤的合适中间体，那么红豆
杉细胞中紫杉醇生物合成途径剩余步骤的解析以及
生物合成途径中剩余的多个未知基因的克隆与功能
鉴定将会取得突破。另外，进一步阐明红豆杉细胞
紫杉醇生物合成关键酶基因及其调控机制，并围绕
这些基因开展红豆杉细胞转基因的工作，对于提高
红豆杉细胞及植株中紫杉醇的产量、实现紫杉醇产
业化生产也具有十分重要的意义。
合成生物学技术已经能够生产一定量的紫杉醇
的前体物质——紫杉二烯、紫杉二烯 5α- 醇甚至紫
杉二烯 -5α- 酯 -10β- 醇，但距离应用合成生物学技
术全合成出紫杉醇还有相当大的差距，还有一系列
相关的基础性工作需要开展，还需要进行一番艰巨
的攻关。一旦红豆杉紫杉醇生物合成基因全部得到
克隆和鉴定，利用合成生物学技术全合成紫杉醇就
有可能会实现。尽管这方面的研究将面临前所未有
的困难和难以想象的挑战，但我们有理由相信在国
内外有关科学家的共同努力下，这一梦想会在不久
的将来变成现实。
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