Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) are considered promising novel near-infrared (NIR) bioimaging agents with the characteristics of high contrast and high penetration depth. However, the interactions between charged UCNPs and mammalian cells have not been thoroughly studied, and the corresponding intracellular uptake pathways remain unclear. Herein, our research work involved the use of a hydrothermal method to synthesize polyvinylpyrrolidone-coated UCNPs (UCNP-PVP), and then a ligand exchange reaction was performed on UCNP-PVP, with the help of polyethylenimine (PEI) and poly(acrylic acid) (PAA), to generate UCNP-PEI and UCNP-PAA. These polymer-coated UCNPs demonstrated good dispersibility in aqueous medium, had the same elemental composition and crystal phase, shared similar TEM and dynamic light scattering (DLS) size distribution, and exhibited similar upconversion luminescence efficiency. However, the positively charged UCNP-PEI evinced greatly enhanced cellular uptake in comparison with its neutral or negative counterparts, as shown by multiphoton confocal microscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) measurements. Meanwhile, we found that cationic UCNP-PEI can be effectively internalized mainly through the clathrin endocytic mechanism, as revealed by colocalization, chemical, and genetic inhibitor studies. This study elucidates the role of the surface polymer coatings in governing UCNP–cell interactions, and it is the first report on the endocytic mechanism of positively charged lanthanide-doped UCNPs. Furthermore, this study provides important guidance for the development of UCNPs as specific intracellular nanoprobes, allowing us to control the UCNP–cell interactions by tuning surface properties.

SUMMARY Deciphering signalling pathways is essential to understanding how organisms respond to environmental cues but elucidating how these signalling pathways evolve in new environments is less clear. 1,2 Most plants, for example, monitor multiple environmental cues to optimize the time and place to germinate. Some root parasitic plants, however, germinate in response to small molecules like strigolactones (SLs) emanating from host roots 3,4 whilst a number of ephemeral weeds germinate in response to chemicals called karrikins (KARs) released after a forest fire. 5,6 Although these species represent distinct clades, they use the same HYPOSENSITIVE TO LIGHT/KARRIKIN INSENSITIVE 2 (HTL/KAI2) signalling pathway to perceive strigolactones or karrikins, which suggests convergent evolution. 3,5 Because specialist lifestyles are derived traits, it is not clear if HTL/KAI2 signalling in these species evolved from a specific germination-signalling pathway or whether this pathway had other functions that were co-opted for specialist germination circumstances. Here, we show HTL/KAI2 signalling in Arabidopsis bypasses the light requirement for germination. In part, this is because the HTL/KAI2 downstream component, SMAX1 impinges on PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 1/PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3-LIKE 5 (PIF1/PIL5)-regulated hormone response pathways conducive to germination. We identified Arabidopsis accessions that can germinate in the dark, which had altered expression of HTL/KAI2 signalling components, suggesting that divergence in this signalling pathway occurs in nature. Moreover, Arabidopsis HTL/KAI2 -regulated gene signatures were observed in germinating Striga seed. The ability of HTL/KAI2 signalling to substitute for light advances an explanation for how some specialist plants evolved their underground germination behaviour in response to specific environments.

Abstract SARS-CoV-2 infects a broader range of mammalian species than previously anticipated, suggesting there may be additional unknown hosts wherein the virus can evolve and potentially circumvent effective vaccines. We find that SARS-CoV-2 gains a wide host range by binding ACE2 sites essential for ACE2 carboxypeptidase activity. Six mutations found only in rodent species immune to SARS-CoV-2 are sufficient to abolish viral binding to human and dog ACE2. This is achieved through context-dependent mutational effects (intramolecular epistasis) conserved despite ACE2 sequence divergence between species. Across mammals, this epistasis generates sequence-function diversity, but through structures all bound by SARS-CoV-2. Mutational trajectories to the mouse conformation not bound by SARS-CoV-2 are blocked, by single mutations functionally deleterious in isolation, but compensatory in combination, explaining why human polymorphisms at these sites are virtually non-existent. Closed to humans, this path was opened to rodents via permissive cardiovascular phenotypes and ancient increases to ACE2 activity, serendipitously granting SARS-CoV-2 immunity. This reveals how ancient evolutionary trajectories are linked with unprecedented phenotypes such as COVID-19 and suggests extreme caution should be taken to monitor and prevent emerging animal reservoirs of SARS-CoV-2. One sentence summary A conserved mechanism essential for ACE2 catalytic activity is exploited by SARS-CoV-2 binding, allowing the virus to infect a wide range of species.

Abstract Purpose Conjunctival signs and symptoms are observed in a subset of patients with COVID-19, and SARS-CoV-2 has been detected in tears, raising concerns regarding the eye both as a portal of entry and carrier of the virus. The purpose of this study was to determine whether ocular surface cells possess the key factors required for cellular susceptibility to SARS-CoV-2 entry/infection. Methods We analyzed human post-mortem eyes as well as surgical specimens for the expression of ACE2 (the receptor for SARS-CoV-2) and TMPRSS2, a cell surface-associated protease that facilitates viral entry following binding of the viral spike protein to ACE2. Results Across all eye specimens, immunohistochemical analysis revealed expression of ACE2 in the conjunctiva, limbus, and cornea, with especially prominent staining in the superficial conjunctival and corneal epithelial surface. Surgical conjunctival specimens also showed expression of ACE2 in the conjunctival epithelium, especially prominent in the superficial epithelium, as well as the substantia propria. All eye and conjunctival specimens also expressed TMPRSS2. Finally, western blot analysis of protein lysates from human corneal epithelium obtained during refractive surgery confirmed expression of ACE2 and TMPRSS2. Conclusions Together, these results indicate that ocular surface cells including conjunctiva are susceptible to infection by SARS-CoV-2, and could therefore serve as a portal of entry as well as a reservoir for person-to-person transmission of this virus. This highlights the importance of safety practices including face masks and ocular contact precautions in preventing the spread of COVID-19 disease.