PNAS 揭示外源稀土元素打破植物进化启动叶细胞胞吞作用的重要机制 (1)

来源：植物科学最前沿

原标题：PNAS黄晓华邓兴旺课题组揭示外源稀土元素打破植物进化启动叶细胞胞吞作用的重要机制 (1)

近日，国际著名学术期刊Proceedings of the National Academy of Science (PNAS)在线发表了南京师范大学化学与材料科学学院黄晓华教授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合作完成的题为“Arabinogalactan protein–rare earth element complexes activate plant endocytosis”的研究论文。该研究发现稀土元素(REEs)与其在植物叶细胞外的靶分子阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)结合后，触发AGPs由被糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定在细胞质膜外的状态转变为跨膜状态。在此基础上，AGPs作为REEs的受体，其胞内部分与胞吞作用衔接蛋白Adaptor protein 2 (AP2)对接，进而招募网格蛋白，启动网格蛋白介导的胞吞作用(CME)。由此，AGPs作为REEs的共货物和货运蛋白将REEs运送至叶细胞内。该研究还发现REEs可通过AGPs (从植物摄取)活化人细胞胞吞作用，其中AP2亦作为衔接蛋白。说明REEs基于AGPs活化胞吞作用这一机制在动植物细胞中普遍存在。该研究颠覆了对AGPs和质膜外分泌型蛋白生物功能及CME模型中受体和启动机制的传统认知，为研究AGPs和CME提供新的视野。

稀土元素(REEs)包含元素周期表中15种镧系元素及钪和钇，共17种元素。REEs因具有特殊的物理、化学、生物等性质，如今被广泛应用于农业、工业、国防等领域。REEs是一类生命体非必需重金属元素。然而，数十年来，REEs一直作为添加剂存在于肥料中，通过叶喷促进植物(尤其是农作物)生长，但其机制不明。此外，REEs大量使用使其以前所未有的速度在全球环境中累积，对全球生态系统造成威胁。因此，亟待建立REEs在生态系统中的限量标准。为此，须对REEs如何作用于植物(尤其是叶片)并被其吸收进行定性和定量研究。

南京师范大学黄晓华教授团队与北京大学邓兴旺教授合作，于2014年采用REEs放射自显影等交叉学科技术研究发现，REEs作用于植物叶片后首先被细胞质膜外的生物靶分子锚定，进而打破植物进化产生的叶胞吞惰性，启动叶细胞胞吞作用。随后，REEs与其结合的靶分子共同通过胞吞作用进入叶细胞。这一发现为探究REEs作用于植物及其吸收机制指出了新方向，因此受到医学、农学、生态学、细胞生物学等多学科的关注。但REEs如何与质膜外靶分子结合后启动叶细胞胞吞作用仍不清楚，这是进一步阐明REEs与植物作用及吸收机制的关键。

胞吞作用[包括网格蛋白介导的胞吞作用(CME)]在动物、植物、微生物细胞信号转导、调控极性生长等细胞过程中扮演重要作用。在CME启动过程中，胞外货物通过与跨膜受体结合后，受体中识别域(胞内区域)与胞内衔接蛋白结合，进而招募网格蛋白，启动CME。然而，胞吞作用启动机制的研究仍存在诸多挑战：例如胞外货物如何被受体识别后与之结合？如何可视化地在活体原位确定货物受体及其与货物的相互作用？这些问题也是揭示REEs如何启动植物叶细胞胞吞作用机制的难点。

在该研究中，研究人员首先通过基因筛选、生物信息学预测结合计算化学模拟、REEs放射自显影、蛋白免疫金标记、透射电子显微镜观察结合能谱仪、多重荧光标记、免疫共沉淀、电感耦合等离子质谱等多学科交叉研究技术，确定了AGPs是REEs在叶细胞质膜外的靶分子。AGPs作为一类被GPI锚定在质膜外的分泌型蛋白，其表面存在大量负电荷基团，可作为路易斯碱与作为路易斯酸的REEs结合形成稳定配合物。因此，REEs与AGPs在叶细胞质膜上，尤其是胞吞凹陷处共定位。

为进一步研究AGPs在REEs启动胞吞作用中的重要性，研究人员利用多重荧光标记、蛋白功能抑制及构建转基因植株等交叉学科研究方法，证实了AGPs在REEs启动植物叶细胞CME过程中扮演重要作用。激光共聚焦显微镜观察结果显示，REEs存在下大量AGPs和网格蛋白均存在于胞吞泡上。据悉，研究人员通过大量实验最终成功在胞吞泡生成的很短时间内将其动态过程捕捉到。有趣的是，将AGPs功能或CME抑制后，REEs启动叶细胞胞吞作用强度明显降低。这些结果表明AGPs是REEs启动叶细胞CME的靶分子，首次确定了AGPs可作为启动细胞胞吞作用重要分子这一新功能。

为进一步研究AGPs在REEs启动叶细胞CME中扮演的角色，研究人员采用生物信息学预测、计算化学模拟、免疫荧光染色结合一种超高分辨显微技术—受激发射损耗显微镜技术(STED)、多重荧光标记、免疫共沉淀等多学科交叉研究方法发现：部分AGPs存在跨膜结构域和AP2识别。与此同时，该研究直接观察到REEs存在下，作为胞外分泌型蛋白的AGPs由被GPI锚定在质膜外的状态转变为跨膜状态，该过程在2 min内完成。这是首个胞吞受体分子进入细胞的超高分辨动态结果。由此，AGPs胞内AP2识别域与AP2对接，招募网格蛋白而启动CME。在此过程中，AGPs不仅作为REEs的共货物，而且作为REEs的货运载体，将REEs运送至叶细胞内。因此，本研究结果发现了AGPs作为被锚定在质膜外的分泌型蛋白在REEs启动叶细胞CME中所扮演的：1) 作为启动叶细胞CME的货物和REEs的共货物；2) 作为REEs启动叶细胞CME的受体；3) 作为转运REEs至叶细胞内的货运载体。