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學術報道

美國科學院院刊(PNAS)再次刊登我校化科院黃曉華課題組文章——破解稀土(REEs)如何激活植物胞吞作用

元素周期表中17種REEs,因其在工農業、國防和醫藥等領域廣泛應用進入生態系統,成為生物體非必需微量元素。百余年來,因缺乏REEs細胞行為直接可視化及學科交叉探究技術及策略,REEs生物(尤其動、植物)效應的細胞學機制揭示,被公認是化學、生物等多學科交叉領域的共性難題。其中,植物存在細胞壁及細胞質膜外較強酸性環境,更難實現REEs細胞行為可視化與機制揭示。2014年黃曉華課題組首次利用REEs放射自顯影等多學科交叉技術研究發現:REEs能打破葉胞吞惰性的進化規則而激活葉細胞胞吞作用,并致REEs被內化(至細胞內)(PNAS,2014,111,12936),但REEs如何激活植物胞吞作用依然無法破解。胞吞作用,包括網格蛋白介導的胞吞作用(CME),是真核生物(動物、植物等)的基本細胞過程。如,通過內化細胞外的貨物(Cargoes),CME在細胞信號、細胞分裂、細胞運動等多種細胞過程中起重要作用。因此,人們對貨物的識別機理、CME機制及其過程進行了廣泛研究。細胞外的貨物被認為是通過跨膜受體來選擇(識別),跨膜受體結合細胞內的銜接蛋白來啟動胞吞作用。然而,如何選擇貨物進行胞吞作用仍然很難確定,尤其如何實現貨物的可視化及發現新貨物,被認為是亟待破解的難題。

近日,南京師范大學黃曉華課題組在國家自然科學基金項目(批準號:21371100, 21501068和31170477)等資助下,與北京大學鄧興旺教授、加州大學河濱分校楊貞標教授等研究人員合作,揭示植物細胞中REEs的靶分子即分泌型阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)扮演跨膜受體激活植物胞吞作用的機制。研究成果以“Arabinogalactan protein–rare earth element complexes activate plant endocytosis”為題,在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS《美國科學院院刊》)上在線發表。論文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2019/06/24/1902532116.full.pdf

在該項研究中,研究人員以La(III)和擬南芥分別為REEs和植物代表,將REEs放射自顯影技術、免疫細胞化學方法、超高分辨顯微技術、遺傳學手段、計算化學、生物信息學、化學生物學等交叉學科研究技術和方法組合,首次實現了胞吞作用研究過程中關鍵分子[如La(III)及其靶分子、細胞外貨物、受體及其銜接蛋白]的細胞行為直接可視化,揭示了葉細胞中La(III)的靶分子,即被細胞質膜表面糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定在質膜外AGPs,啟動CME的新機制(圖)。其中,研究發現:1)細胞外的新貨物是La(III)、AGPs或它們的配合物;2)作為La(III)靶分子的AGPs既是細胞外貨物受體,也是La(III)內化的貨運蛋白;3)AGPs啟動的胞吞過程為:被GPI錨在質膜外的AGPs→與La(III)形成配合物→從GPI錨定態到跨膜態(至質膜內)→結合細胞內的銜接蛋白(AP2)形成復合物→招募網格蛋白(Clathrin)至質膜內側→與Clathrin形成復合物→啟動CME;4)扮演跨膜受體啟動CME的分泌型蛋白AGPs,是含有跨膜結構域的同源蛋白。此外,依賴AGPs活化的胞吞作用,也發生在La(III)作用的人體細胞中(因人體所必需的AGPs無法自身合成而主要來源于食用植物)。

生命科學研究顯示,AGPs在生物體(如細胞分裂、胚胎發育等諸多過程)中扮演重要作用,但迄今未見任何AGPs與胞吞作用相關的報道。同時,細胞生物學研究最廣泛且已明晰的是,啟動生物體CME的蛋白為細胞質膜上跨膜受體蛋白。因此,該項研究不僅破解REEs如何激活葉細胞胞吞作用,且確定分泌型蛋白AGPs能作為CME貨物受體發揮跨膜受體蛋白的功能,從而挑戰了目前細胞外貨物內吞作用的范式;同為闡明CME激活機制、AGPs生物學功能及REEs植物效應機理,提供了非常重要的理論與實驗基礎。

該項研究,歷時5年完成。化學與材料科學學院博士后王麗紅(現為江南大學副教授)、博士研究生程夢竹和博士后楊清為論文的共同第一作者,南京師范大學黃曉華教授和北京大學鄧興旺教授為共同通訊作者。

圖REEs葉細胞靶分子—AGPs啟動CME的新機

化學與材料科學學院稿

  • 更新時間

    2019年06月27日

  • 閱讀量

  • 供稿

    化科院

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