Progress in research on paclitaxel and tumor immunotherapy
- 作者
- Linyan Zhu, Liqun Chen
- 单位
- College of Biological Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
- DOI
- 10.1186/s11658-019-0164-y
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学 / 肿瘤免疫治疗
- 关键词
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解决的核心问题
紫杉醇天然来源有限、产量低、化学合成成本高，且其生物合成途径复杂尚不完全清楚；同时紫杉醇在肿瘤免疫治疗中的作用机制有待深入阐明。
研究策略
系统综述紫杉醇的多种获取途径（人工栽培、化学合成/半合成、植物组织培养、内生真菌发酵、微生物异源合成），总结提高产量的生物技术手段（诱变、原生质体融合、基因工程、代谢工程等），并回顾紫杉醇与免疫治疗联合应用的最新进展。
核心内容
紫杉醇作为最有效的天然抗癌药物之一，其来源受限和产量低是长期瓶颈。该综述系统梳理了紫杉醇的多种获取途径，包括人工栽培、化学半合成、植物细胞培养、内生真菌发酵及微生物异源合成，并总结了诱变、原生质体融合、基因工程和代谢工程等提高产量的生物技术手段。在关键结果方面，东北红豆杉细胞培养紫杉醇产量为1–3 mg/L，而优化后内生真菌产量可达846 μg/L；大肠杆菌中通过模块化工程和P450优化，紫杉醇产量最高达570 mg/L，显示出微生物异源合成的巨大潜力。此外，紫杉醇不仅通过促进微管聚合抑制肿瘤，还被发现具有免疫调节功能，低剂量非毒性紫杉醇可抑制耐受性树突状细胞分化并维持对脂多糖刺激的反应，提示其与免疫治疗联合应用可能提升疗效。总体而言，植物细胞培养和内生真菌发酵具有可持续性，但产量和成本仍待解决，微生物异源合成被视为未来方向，而紫杉醇作为免疫调节剂的机制与临床应用窗口尚需深入研究。
创新点
归纳了紫杉醇生物合成途径的至少19步反应，强调内生真菌生产潜力与争议；介绍了大肠杆菌中利用模块化工程和P450优化实现紫杉醇前体高产，以及紫杉醇作为免疫调节剂的新认识。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus brevifolia | 紫杉醇生物合成途径 | TS | taxadiene synthase | 催化 | 催化GGPP环化形成taxa-4(5),11(12)-diene，是紫杉醇生物合成的关键步骤 |
| Escherichia coli | MEP途径 / 紫杉醇前体合成 | TS, GGPP synthase, IPP isomerase | taxadiene synthase等 | 催化 | 异源表达合成taxadiene，产量达1.3 mg/L |
| Escherichia coli | 紫杉醇前体合成 | P450基因 | P450酶 | 催化 | 优化P450表达、组合不同还原酶、修饰N端后紫杉醇产量达570 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 / 紫杉醇早期合成 | — | — | 催化 | 已建立从初级代谢到taxol-5α-acetoxy-10β-alcohol的早期途径 |
| Taxomyces andreanae | 紫杉醇合成途径（内生真菌） | — | — | 催化 | 首个被证实可产生紫杉醇的内生真菌，产量仅24-50 μg/L |
| Taxus chinensis (细胞培养) | 紫杉醇生物合成途径 | — | — | 催化 | 培养的CMC细胞总产量264 mg/kg，74%分泌到培养基 |
关键发现
- 紫杉醇促进微管聚合并抑制解聚
- T. brevifolia细胞培养紫杉醇产量为1-3 mg/L
- 基于形成的CMC培养总产量为264 mg/kg，其中74%直接分泌到培养基
- 内生真菌Taxomyces andreanae紫杉醇产量仅24-50 μg/L
- 从52株内生真菌中筛选出19株可产紫杉醇/紫杉烷
- 优化后内生真菌紫杉醇浓度可达846 μg/L
- 大肠杆菌异源合成taxadiene产量达1.3 mg/L
- 通过优化P450表达、组合不同还原酶等，大肠杆菌紫杉醇产量达570 mg/L
- 紫杉醇水溶性小于0.03 mg/mL
- 低剂量非毒性的紫杉醇可抑制DC前体向耐受性DC分化，并维持对脂多糖刺激的反应。
研究结论
紫杉醇是最有效的天然抗癌药物之一，目前主要来源于化学半合成和人工栽培；植物细胞培养和内生真菌发酵具有可持续性，但产量和成本问题仍待解决；微生物异源合成是未来方向。紫杉醇可影响多种免疫细胞，与免疫治疗联合可能提高疗效，但相关机制和临床应用窗口仍需深入研究。