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奋进南师

美国科学院院刊(pnas)再次刊登我校化科院黄晓华课题组文章——破解稀土(rees)如何激活植物胞吞作用

元素周期表中17种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。

近日,南京师范大学黄晓华课题组在国家自然科学基金项目(批准号:21371100, 21501068和31170477)等资助下,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,揭示植物细胞中rees的靶分子即分泌型阿拉伯半乳糖蛋白(agps)扮演跨膜受体激活植物胞吞作用的机制。研究成果以“arabinogalactan protein–rare earth element complexes activate plant endocytosis”为题,在proceedings of the national academy of sciences of the united states of america(pnas《美国科学院院刊》)上在线发表。论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/06/24/1902532116.full.pdf

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)。

生命科学研究显示,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。

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。

图rees叶细胞靶分子—agps启动cme的新机

化学与材料科学学院稿

  • 更新时间

    2019年06月27日

  • 阅读量

  • 供稿

    化科院

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