2025年6月11日, 《Nature》杂志在线发表了来自斯坦福大学Elizabeth S. Sattely教授为通讯作者题为"Discovery of FoTO1 and Taxol genes enables biosynthesis of baccatin III"的研究论文。文章的核心内容是关于紫杉醇（Taxol，通用名paclitaxel）生物合成途径中关键基因的发现与解析。紫杉醇是一种重要的抗癌药物，来源于红豆杉属（Taxus）植物。然而，由于其复杂的化学结构和天然含量低，使得紫杉醇的合成具有挑战性。研究团队通过单细胞转录组学（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）和多重扰动技术（multiplexed perturbation），开发了一种称为多重扰动×单核（mpXsn）的方法，成功鉴定了多个新的紫杉醇生物合成基因，并在烟草植物中重建了巴卡亭 III（baccatin III）的生物合成途径，与红豆杉中的天然含量相当。

紫杉醇是一种复杂的二萜类化合物，具有显著的抗癌活性。自1992年被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床以来，紫杉醇一直是癌症治疗的主要药物之一。然而，由于其在红豆杉树皮中的含量极低（干重的0.001-0.050%），使得紫杉醇的供应有限且难以满足临床需求。尽管化学合成方法已被开发，但这些方法在经济上并不可行，因此紫杉醇的供应仍然依赖于从红豆杉组织中提取晚期中间体（如巴卡亭 III）。因此，鉴定完整的紫杉醇生物合成基因集对于实现异源生物生产具有重要意义。

研究团队通过mpXsn方法，成功解析了紫杉醇生物合成途径中的多个关键基因模块，并鉴定了8个新的生物合成基因。这些基因包括 FoTO1（facilitator of taxane oxidation）、T9αH-750C、T7AT（taxane C-7β-O-acyltransferase）、两个T1βHs（T1βH-184和T1βH-686）、T9dA（taxane 9α-O-deacetylase）、T7dA（taxane 7β-O-deacetylase）和PCL（β-phenylalanine-CoA ligase）。并利用它们构建了包含17个基因和20个基因的两条途径，分别用于从头合成巴卡亭III和3'-N-去苯甲酰-2'-去氧紫杉醇），并在烟草中进行了验证。在未进行优化的情况下，重构的17基因途径在烟草叶片中能够产生10–30 μg/g的巴卡亭III，这一产量与红豆杉针叶中天然存在的丰度相当。这些基因的发现不仅填补了紫杉醇生物合成途径中的多个空白，还使得在烟草植物中实现巴卡亭 III的生物合成成为可能。研究还表明，FoTO1在紫杉醇途径的首次氧化中起着关键作用，能够促进所需产物的形成并减少副产品的产生。

1.单细胞转录组学方法开发

研究团队开发了mpXsn方法，通过结合单细胞转录组学和多重扰动技术，提高了转录分析的分辨率。这种方法能够跨越不同的组织、细胞类型、发育阶段和诱导条件，对细胞状态进行转录分析。通过这种方法，研究团队成功解析了紫杉醇生物合成基因的表达模块，这些模块暗示了连续的子途径。这些模块中解析出的七个新基因，使得研究团队能够在本氏烟叶中实现巴卡亭 III的生物合成与分离，产量与红豆杉针叶中的天然含量相当（图1）。

图1：mpXsn方法的概述

2.紫杉醇生物合成基因模块的解析

通过mpXsn数据，研究团队发现紫杉醇生物合成基因在不同的表达模块中分布，这些模块涉及不同的生理过程，如类异戊二烯前体的合成（MEP途径）和次级代谢产物的氧化酶、2-ODD和乙酰转移酶。这些模块在不同的细胞亚群中表达，表明紫杉醇生物合成途径可能受到不同的转录调控（图2）。

图2：紫杉醇生物合成基因模块的解析

3.FoTO1的发现与功能

研究团队发现了一个NTF2样蛋白FoTO1，它在紫杉醇生物合成的首次氧化中起着关键作用。FoTO1能够显著提高途径的产率，减少副产物的形成。通过序列和系统发育分析，研究团队发现FoTO1在植物界中广泛存在，并可能在紫杉醇生物合成中发挥进化上的保守功能（图3）。

图3：FoTO1的发现与功能

4.其他关键基因的发现

研究团队还发现了其他关键基因，包括T9αH-750C、T7AT、两个T1βHs（T1βH-184和T1βH-686）、T9dA和T7dA。这些基因参与了紫杉醇生物合成的不同步骤，如氧化、乙酰化和去乙酰化等。此外，还发现了PCL基因，该基因对于紫杉醇侧链的生物合成至关重要（图4）。

图4：其他关键基因的发现

5.巴卡亭 III的生物合成

通过整合新发现的基因，研究团队在烟草植物中成功重建了巴卡亭 III的生物合成途径。与传统方法相比，该途径的产量显著提高，与红豆杉针叶中的天然含量相当。这为紫杉醇的可持续生产提供了一个重要的平台（图5）。

图5：巴卡亭 III的生物合成途径在烟草中的重建

这项研究不仅在紫杉醇生物合成途径的解析中取得了重大突破，还为紫杉醇的异源生物生产提供了一个可持续的解决方案。通过结合单细胞转录组学和多重扰动技术，研究团队成功解析了紫杉醇生物合成途径中的多个关键基因模块，并在烟草植物中实现了巴卡亭 III的生物合成。这些发现对于优化紫杉醇的生产途径、降低抗癌药物成本以及满足临床需求具有重要意义。此外，mpXsn方法的开发为其他复杂基因组中高价值基因集的发现提供了一个通用的策略，具有广泛的应用前景。

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