元素周期表中17種稀土元素（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。百餘年來，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，並致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，南京師範大學黃曉華課題組在國家自然科學基金項目(批准號：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PNAS（《美國科學院院刊》）上在線發表（DOI：10.1073/pnas.1902532116）。
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醯肌醇(GPI)錨定在質膜外AGPs，啟動CME的新機制(圖1-4)。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)形成複合物→招募網格蛋白(Clathrin)至質膜內側→與Clathrin形成複合物→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於食用植物)。
圖1 La(III)的靶分子—AGPs啟動葉細胞的CME
圖2在啟動葉細胞的CME中，La(III)觸發AGPs跨越質膜的運動
圖3 在葉細胞的CME中，La(III)觸發AGPs與細胞內的AP2作用形成複合物
圖4REEs葉細胞靶分子—AGPs啟動CME的新機制
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導。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範式；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。南京師範大學化學與材料科學學院博士後王麗紅（現為江南大學副教授）、博士研究生程夢竹和博士後楊清為論文的共同第一作者，南京師範大學化學與材料科學學院黃曉華教授和北京大學現代農學院鄧興旺教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、高等學校博士學科點專項科研基金、江蘇高校優勢學科建設工程項目和美國國立衛生研究院的經費支持。
論文連結：
https://www.pnas.org/content/early/2019/06/24/1902532116.full.pdf
(來源：南京師範大學)