中药活性成分“合成生物学”创造与新药发现——高伟教授

童宇茹 张逸风 沈思雨 高 伟,*

(1.首都医科大学药学院，北京 100069；2.首都医科大学中医药学院，北京 100069)

中药活性成分不仅是中医药发挥临床疗效的活性物质，还是现代创新药物开发的源泉，如抗疟疾的青蒿素、止咳平喘的麻黄素和抗炎的黄连素等。目前，中药活性成分基本依赖从药用植物中直接提取分离，但由于其在植物中含量低、不易化学合成，随着新药开发及中药产业化对中药活性成分的需求增大，许多药用植物资源将面临大宗常用资源短缺、珍稀濒危资源破坏等诸多问题。

从生物学角度，中药活性成分多来源于药用植物次生代谢过程中合成的天然产物，它们是植物长期演化过程中特有基因共同调控的产物，由系列关键酶通过系列催化反应所合成，并存在特定生物合成途径。通过发掘药用植物基因资源，克隆鉴定活性成分关键酶基因，解析其生源途径并在微生物中人工创建代谢途径，进而利用合成生物学策略生产或改造药用活性成分，将是一种极具潜力的药用活性成分获取方法。

1 个人简介

高伟教授(图1)，男，中共党员，1979年出生于江西鄱阳，首都医科大学教授、博士生导师，药学院院长。2008年博士毕业于中国中医科学院中药研究所，师从黄璐琦院士获得全国百篇优秀博士学位论文；2013年师从美国科学院院士、冷泉港实验室(CSHL)主席Bruce Stillman教授，在美国CSHL从事分子生物学研究。2014年获得国家优秀青年科学基金和863计划青年科学家项目资助；2015年入选国家第二批“万人计划”中组部青年拔尖人才和北京市首批“高创计划”领军人才；2016年入选教育部“长江学者奖励计划”青年项目；2018年入选科技部中青年科技创新领军人才；2019年入选“万人计划”科技创新领军人才。在中药及天然药物活性成分基因功能鉴定、生源途径解析及合成生物学研究领域取得了创新性成果，以第一或通讯作者在JournaloftheAmericanChemicalSociety、NatureCommunications、NewPhytologist、MetabolicEngineering、OrganicLetters、PlantJournal、ActaPharmaceuticaSinicaB等国内外知名期刊发表论文81篇；参编教材和专著12部；授权发明专利18项，PCT专利2项；获中国药学会赛诺菲青年生物药物奖、中国药学会以岭生物医药青年奖、北京市科技奖一等奖1项(第15)、中国药学会科技奖一等奖1项(第4)、中华医学会科技奖二等奖(第5)和中华中医药学会中青年创新人才等。兼任中华中医药学会青年委员会主任委员、中国中西医结合学会分子生药学分会秘书长、中国植物学会药用植物及植物药专业委员会副秘书长等；并担任ActaPharmaceuticaSinicaB、ChineseJournalofNaturalMedicines、《中国中药杂志》《药学学报》《世界中医药》《首都医科大学学报》等知名期刊编委或青年编委。

图1 高伟教授

2 主要学术贡献

高伟教授长期从事中药资源与分子生药学研究，聚焦雷公藤、丹参、甘草、穿心莲等我国重要药用植物基因资源，以雷公藤甲素、雷公藤红素和丹参酮等应用于临床或者有显著药理作用的活性成分为切入点，突破中药活性成分传统获取方式，从“功能基因挖掘-生物合成途径解析-合成生物学生产-活性评价”等全链条实现中药活性成分“合成生物学”创造和新药发现。

2.1 构建药用植物基因鉴定系统，成功鉴定雷公藤等萜类活性成分生物合成关键酶基因，为发掘中药基因资源提供关键技术

构建了中药萜类活性成分生物合成相关基因高通量挖掘及功能鉴定系统，包括：① 发展了颜色及功能互补鉴定体系，适用于无底物的上游萜类基因功能鉴定；② 建立了体外酶促鉴定体系，适用于既有底物又有产物标准品的萜类基因功能鉴定；③ 建立了代谢工程鉴定体系，适用于仅有产物标准品的萜类基因功能鉴定；④ 建立了合成生物学策略鉴定体系，适用于无产物标准品的萜类基因功能鉴定；⑤ 基于基因枪介导的药用植物体内基因功能鉴定。基因功能鉴定系统突破了非典型性模式药用植物代谢途径催化酶基因功能鉴定的瓶颈，并成功运用于雷公藤等植物萜类系列功能基因的克隆鉴定，首次克隆鉴定了48个雷公藤萜类生物合成功能基因[1-8]，为高效发现和确证目标中药活性成分合成通路关键酶基因奠定了理论依据和关键技术。

2.2 提出基于表型差异的多组学研究策略，解析雷公藤甲素等中药活性成分新颖合成途径

提出了基于表型差异的多组学解析中药活性成分未知功能基因及新颖途径的整体研究策略。通过环境胁迫或外源诱导，使药用植物次生代谢物积累产生表型差异，进而通过基因组学、代谢组学和转录组学等多组学数据检测，构建“基因-代谢物”的调控网络图，筛选中药活性成分合成途径的候选基因及相关代谢物，发掘中药活性成分未知功能基因和新颖途径(图2)：① 发现雷公藤新颖二萜合酶基因(TwTPS)[9]和细胞色素氧化酶基因(TwCYP728B70)[10]，解析了雷公藤甲素关键环化途径和后修饰过程；② 发现雷公藤新颖的三萜氧化鲨烯环化酶基因(TwOSC)，首次揭示雷公藤红素木栓烷型母核结构形成过程[11]；③首次在穿心莲中发现了一个新颖二萜类化合物糖基转移酶基因(ApUGT)，成功解析了新穿心莲内酯下游生物合成途径[12]。④ 表征了甘草中多种黄酮(异甘草素、甘草素及其糖苷异甘草苷)的完整生物合成途径，并首次使用酵母内源代谢物作为前体和辅因子实现了其在酿酒酵母中的从头合成[13]。

图2 中药(雷公藤、丹参、穿心莲等)活性成分关键酶基因鉴定及新颖途径解析

2.3 发展合成生物学关键技术，高效生产中药活性成分

首次克隆鉴定了丹参酮生物合成关键基因SmCPS和SmKSL，发现了一条二萜生物合成新途径。SmCPS是被子植物中首个被鉴定的-CPP合成酶基因，SmKSL编码蛋白则催化-CPP形成新的二萜烯(次丹参酮二烯)；由此阐明了丹参酮生物合成过程中立体化学构型，发现了一条丹参酮特有的二萜生物合成新途径[14-15]。进一步建立了合成生物学策略的模块化途径工程技术，对编码SmCPS、SmKSL、ERG20、BTS1和HMG1 5个蛋白的基因进行了操作，首次在酵母中合成出次丹参酮二烯，产量达到365 mg/L 的国际先进水平[16]。进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得高产GGPP底盘菌，次丹参酮二烯产量提高到3 500 mg/L[17](图3)；从而建立了以丹参酮为示范的中药活性成分“功能基因挖掘-生物合成途径解析-合成生物学生产” 的中药基因资源发掘保护、中药活性成分高效获取的中药资源可持续利用新模式。

2.4 聚焦临床应用，筛选具有显著药理活性的中药活性成分

对中药活性成分进行了结构衍生和药理活性研究，研究[18]显示，雷公藤红素可以抑制神经胶质瘤细胞的增生，对星形胶质细胞表现出低细胞毒性并诱导神经胶质瘤细胞的细胞周期停滞在G2/M期，主要通过诱导神经胶质瘤细胞中ROS的产生，促进JNK活化并阻断Akt/mTOR信号通路而形成。而雷公藤甲素通过上调ROS/JNK和下调Akt/mTOR信号通路诱导胶质瘤细胞自噬和凋亡[19]。这些研究为雷公藤中有效成分的抗肿瘤活性新药开发提供了科学依据，也为解析雷公藤有效成分生物合成途径以及开发合成生物学生产提供了现实的需求。

3 科学意义与展望

通过发掘药用植物基因资源，克隆鉴定中药活性成分次生代谢新颖关键基因，解析中药活性成分生源途径和调控机制；一方面，可以揭示活性成分形成和积累的分子机制，从分子水平认识中药材质量形成规律，为中药材规范化精准育种与栽培提供科学依据；同时，进一步模拟药用植物体内活性成分生物合成途径，利用合成生物学方法在微生物体内设计并整合药用植物有效成分生物合成途径，构建和优化“细胞工厂”最终实现中药活性成分的异源高效合成，为中药资源可持续利用提供新的研究策略和有效途径。

中药活性成分“合成生物学”创造对当前解决中药栽培环境出现的地域限制、有效成分含量低、提取困难等中药资源短缺问题具有重要的现实意义。通过各类化合物生物合成途径中各级酶和中间体的分析，完整解析化合物的生物合成途径，进而实现中药活性成分的“细胞工厂”异源生产，将具有显著药理活性的活性成分如紫杉醇、青蒿素、雷公藤甲素、雷公藤红素和丹参酮等应用于临床及制剂生产，更好地服务于医药事业的发展。但当前合成生物学面临着生物合成下游途径上关键基因的挖掘困难、合成结果的不可预测性、多数中药活性成分途径未完全解析、适配性底盘细胞需进一步改造、发酵工艺亟待提高和活性成分结构衍生及其活性评价、新药发现等，这将是本领域重点研究方向和待解决的关键科学问题。