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　　托品烷生物堿（TAs）是一類具有吡咯環(huán)和哌啶環(huán)駢合而成的托品烷基本骨架的生物堿，其代表性成員莨菪堿和可卡因是具有悠久藥用歷史，而且是目前仍然在臨床上廣泛應用的重要天然藥物。1860年可卡因從古柯葉中被分離純化獲得，而后被用作眼科手術(shù)治療的麻醉藥，是歷史上第一個被發(fā)現(xiàn)和使用的局部麻醉藥，目前臨床上使用的卡因類局麻藥都是由可卡因改構(gòu)而來。此外，可卡因還曾經(jīng)是著名飲料的配方之一。然而由于成癮性，自1914年起，除醫(yī)療外禁止使用可卡因和古柯葉。在2018年，可卡因由于其不可替代的優(yōu)點被FDA批準為口腔和鼻腔外科手術(shù)的局麻藥。中國科學院昆明植物研究所植物化學與西部植物資源持續(xù)利用國家重點實驗室，黃勝雄研究員帶領的天然產(chǎn)物生物合成及藥用植物資源攻關團隊長期聚焦于托品烷生物堿的生物合成研究，取得了一系列重要突破。 

　　2019年，黃勝雄專題組從茄科植物中鑒定了參與莨菪堿托品烷骨架構(gòu)建的聚酮合酶PYKS，通過蛋白晶體結(jié)構(gòu)和定點突變實驗解析了其催化機制（Nat Commun, 2019, 10, 4036），首次通過實驗證明了Robinson的經(jīng)典托品酮化學全合成是仿生合成；2020年，該組闡明了負責莨菪堿酯化步驟的關鍵酶基因（New Phytol, 2020, 225, 1906）；2021年，該組解析了催化莨菪堿醛生成莨菪堿的氧化還原酶HDH的催化機制，實現(xiàn)了莨菪堿生物合成途徑的完整解析（ACS Catal, 2021, 11, 2912）；并受邀撰寫綜述回顧了近100年來托品烷生物堿的生物合成研究史（Nat Prod Rep, 2021, 38, 1634）；今年，該組從古柯科植物中鑒定了參與可卡因托品烷骨架構(gòu)建的聚酮合酶PKS1/2，并揭示了古柯科和茄科聚酮合酶獨立進化但功能趨同的獨特現(xiàn)象（Nat Commun, 2022, 13, 4994）。 

　　近日，該組綜合利用轉(zhuǎn)錄組分析、分子生物學以及有機化學合成等手段，解決了長期遺留的可卡因托品烷骨架構(gòu)建的世紀難題，并在煙草中實現(xiàn)了可卡因合成路徑的從頭構(gòu)建。該研究鑒定了負責可卡因托品烷骨架構(gòu)建的氧化酶CYP81AN15和甲基轉(zhuǎn)移酶MT4，明確了可卡因托品烷骨架的形成過程（圖A）：S-MPOA經(jīng)氧化酶CYP81AN15氧化環(huán)化生成不穩(wěn)定中間體芽子酮，隨后經(jīng)甲基轉(zhuǎn)移酶MT4催化甲基化生成(+)-甲基芽子酮，從而糾正了長期存在的但不正確的MPOA先甲基化后再氧化的猜想。有趣的是，可卡因生物合成路徑中氧化酶CYP81AN15負責催化中間產(chǎn)物芽子酮的生成，同時Robinson一鍋法合成托品酮的反應中也是經(jīng)由芽子酮作為中間體，這再次闡明了經(jīng)典托品酮化學全合成的仿生合成之美（圖A和B）。在此基礎上，研究人員進一步利用體外酶促實驗表征了氧化酶CYP81AN15和甲基轉(zhuǎn)移酶MT4的底物手性選擇性，解決了可卡因生物合成路徑中如何從消旋的MPOA生成手性托品烷骨架的疑惑（圖A）。最終，研究人員利用氧化酶CYP81AN15和甲基轉(zhuǎn)移酶MT4，以及四個已鑒定的功能酶（PMT1, PKS1, MecgoR和CS）在煙草中組建最簡生物合成路徑，實現(xiàn)了可卡因的從頭合成，這標志著一條接近完整的可卡因生物合成途徑的闡明（圖C）。 

　　以上研究成果以Discovery and Engineering of the Cocaine Biosynthetic Pathway為題，在Journal of the American Chemical Society上即將以Front Cover形式發(fā)表。黃勝雄專題組的王永江博士后、黃建萍副研究員和田恬博士研究生為本論文的共同第一作者，黃勝雄研究員為通訊作者，先正達顧玉誠教授和中科院西雙版納熱帶植物園陳江華研究員為本研究提供了大力支持。以上研究工作得到了國家合成生物學重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、分子植物科學卓越創(chuàng)新中心以及云南省科技廳等項目資助。 

　　文章鏈接

A：可卡因托品烷骨架合成途徑；B：經(jīng)典托品酮化學全合成；C：可卡因合成路徑在煙草中從頭構(gòu)建