【PNAS】南京师大黄晓华/北大邓兴旺组破解稀土(REEs)如何激活植物胞吞作用

来源：顶尖植物科学研究

 2019年6月26日，PNAS杂志在线发表了来自南京师范大学黄晓华课题组与北京大学邓兴旺教授、加州大学河滨分校杨贞标教授等研究人员合作题为“Arabinogalactan protein–rare earth element complexes activate plant endocytosis”的研究论文。该研究揭示了植物细胞中稀土元素REEs的靶分子即分泌型阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)扮演跨膜受体激活植物胞吞作用的机制。 

   元素周期表中17种稀土元素REEs，因其在工农业、国防和医药等领域广泛应用进入生态系统，成为生物体非必需微量元素。百余年来，因缺乏REEs细胞行为直接可视化及学科交叉探究技术及策略，REEs生物(尤其动、植物)效应的细胞学机制揭示，被公认是化学、生物等多学科交叉领域的共性难题。其中，植物存在细胞壁及细胞质膜外较强酸性环境，更难实现REEs细胞行为可视化与机制揭示。

   2014年黄晓华课题组首次利用REEs放射自显影等多学科交叉技术研究发现：REEs能打破叶胞吞惰性的进化规则而激活叶细胞胞吞作用，并致REEs被内化(至细胞内)(PNAS,2014,111,12936)，但REEs如何激活植物胞吞作用依然无法破解。胞吞作用，包括网格蛋白介导的胞吞作用(CME)，是真核生物(动物、植物等)的基本细胞过程。如，通过内化细胞外的货物(Cargoes)，CME在细胞信号、细胞分裂、细胞运动等多种细胞过程中起重要作用。因此，人们对货物的识别机理、CME机制及其过程进行了广泛研究。细胞外的货物被认为是通过跨膜受体来选择(识别)，跨膜受体结合细胞内的衔接蛋白来启动胞吞作用。然而，如何选择货物进行胞吞作用仍然很难确定，尤其如何实现货物的可视化及发现新货物，被认为是亟待破解的难题。

   在该项研究中，研究人员以La(III)和拟南芥分别为REEs和植物代表，将REEs放射自显影技术、免疫细胞化学方法、超高分辨显微技术、遗传学手段、计算化学、生物信息学、化学生物学等交叉学科研究技术和方法组合，首次实现了胞吞作用研究过程中关键分子[如La(III)及其靶分子、细胞外货物、受体及其衔接蛋白]的细胞行为直接可视化，揭示了叶细胞中La(III)的靶分子，即被细胞质膜表面糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定在质膜外AGPs，启动CME的新机制(图)。其中，研究发现：1)细胞外的新货物是La(III)、AGPs或它们的配合物；2)作为La(III)靶分子的AGPs既是细胞外货物受体，也是La(III)内化的货运蛋白；3)AGPs启动的胞吞过程为:被GPI锚在质膜外的AGPs→与La(III)形成配合物→从GPI锚定态到跨膜态(至质膜内)→结合细胞内的衔接蛋白(AP2)形成复合物→招募网格蛋白(Clathrin)至质膜内侧→与Clathrin形成复合物→启动CME；4)扮演跨膜受体启动CME的分泌型蛋白AGPs，是含有跨膜结构域的同源蛋白。此外，依赖AGPs活化的胞吞作用，也发生在La(III)作用的人体细胞中(因人体所必需的AGPs无法自身合成而主要来源于食用植物)。

研究显示，AGPs在生物体(如细胞分裂、胚胎发育等诸多过程)中扮演重要作用，但迄今未见任何AGPs与胞吞作用相关的报道。同时，细胞生物学研究最广泛且已明晰的是，启动生物体CME的蛋白为细胞质膜上跨膜受体蛋白。因此，该项研究不仅破解REEs如何激活叶细胞胞吞作用，且确定分泌型蛋白AGPs能作为CME货物受体发挥跨膜受体蛋白的功能，从而挑战了目前细胞外货物内吞作用的范式；同为阐明CME激活机制、AGPs生物学功能及REEs植物效应机理，提供了非常重要的理论与实验基础。

图. REEs叶细胞靶分子—AGPs启动CME的新机

  该项研究，历时5年完成。化学与材料科学学院博士后王丽红（现为江南大学副教授）、博士研究生程梦竹和博士后杨清为论文的共同第一作者，南京师范大学黄晓华教授和北京大学邓兴旺教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/06/24/1902532116.full.pdf