雷公藤甲素是药用植物雷公藤（Tripterygium wilfordii Hook. f.）的主要活性成分之一，具有显著的抗炎、免疫抑制、抗肿瘤等生物活性，对类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等自身免疫系统疾病，胰腺癌、肺癌等多种癌症具有较好的治疗作用。基于雷公藤甲素构效机制研发的多种衍生药物已进入临床试验阶段，其中大量的修饰改造工作是针对C-14位羟基进行的。因此，研究雷公藤甲素生物合成关键C-14位羟基形成的分子机制，对于其生源途径解析及活性成分结构改造具有重要的现实意义，进而利用合成生物学策略实现雷公藤甲素及其中间体的异源高效获取，将是解决当前中药活性成分大量需求与药用植物资源供给不平衡的有效途径。

2023年2月16日，中国中医科学院黄璐琦院士和首都医科大学高伟教授团队在Nature Communications杂志发表了题为“Tandemly duplicated CYP82Ds catalyze 14-hydroxylation in triptolide biosynthesis and precursor production in Saccharomyces cerevisiae”的研究论文。该研究报道了雷公藤甲素生物合成关键C-14位羟化酶，系统阐述了基因功能、催化过程和进化假说，实现了雷公藤甲素中间体的从头合成。

研究人员在雷公藤基因组的12号染色体上发现了长度为133 kb，编码11个CYP82Ds基因的串联重复序列。通过植物体内和体外功能表征发现，CYP82D274以代谢网络的形式参与雷公藤甲素生物合成，其可同时催化多个中间体的C-14位羟基化。动力学参数表明CYP82D274对脱氢松香酸（Nature Communications, 2020. 7）表现出更强的催化效率和底物亲和力。

此外，通过植物组织质谱成像和饲喂试验，明确了雷公藤甲素中间体结构，证实了羧基基团参与雷公藤甲素生物合成，并且羧基化过程是目前已报道途径的限速步骤。

值得关注的是，次丹参酮二烯（miltiradiene，5）作为雷公藤甲素、丹参酮类、鼠尾草酸等松香烷型二萜化合物的共同母核，其C环的芳香化此前多次报道为自发反应过程。然而，本研究发现的CYP82D274和CYP82D263则能够催化双键重排生成阿松香三烯（abietatriene，6），其催化效率分别是自发反应的180.09 和23.89倍。该酶有效地促进了中间体及终产物的生成，为同类型化合物的异源获取提供了高效的基因元件。

图1 雷公藤甲素生物合成途径及基因功能表征

（a. 雷公藤基因组CYP82Ds串联重复序列；b-e. 异源体外功能表征；f. 植物体内基因干扰与代谢物分析；g. 雷公藤甲素生物合成途径）

中国中医科学院黄璐琦院士和首都医科大学高伟教授为该文的共同通讯作者，中国中医科学院中药资源中心张逸风博士为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划（2020YFA0908000）、中医药创新团队及人才支持计划（ZYYCXTD-D-202005）、中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设” （2060302）等项目的资助。