Biologické aspekty
Aktivace zymogenů probíhá omezenou intra- nebo intermolekulární proteolýzou odštěpením inhibičního propeptidu . Propeptidy hrají důležitou roli jako modulátory proteasové aktivity, které zaručují, že se zralý enzym tvoří na správném místě a/nebo ve správný čas . Někteří členové peptidázy C1A jsou syntetizováni s C-koncovým ER-retenčním signálem KDEL, který tyto proteázy směřuje do specializovaných lytických vezikul. Zdá se, že sekvence KDEL působí jednak jako cílová doména, jednak udržuje neaktivní formu . Kromě toho rostlinné granuliny, které jsou považovány za podtřídu rodiny papainů a rovněž se podílejí na senescenci, obsahují C-koncovou prodlužovací sekvenci s oblastí bohatou na Pro a granulinovou doménu s vysokou homologií s živočišnými proteázami rodiny epithelin/granulin . Tato doména podobná granulinu se může také podílet na regulaci rozpustnosti proteáz a na jejich aktivaci .
Aktivita peptidáz C1A závisí také na pH, což svědčí o kompartmentu, kde se lokalizují, a na přítomnosti endogenních regulátorů proteáz. Kompartmentalizace v buňkách poskytuje další úroveň regulace, kdy rostlinné buňky obsahují několik různých typů organel, z nichž každá má specializovanou funkci. Neaktivní proenzymy jsou syntetizovány v lumen endoplazmatického retikula (ER). Poté jsou prostřednictvím trans-Golgiho sítě konečně transportovány do vakuol nebo externě vylučovány, aby se dostaly k cílovému proteinu, který má být rozložen . Kromě toho byl při mobilizaci v klíčících semenech dvouděložných rostlin zaznamenán hromadný transport proforem peptidasy C1A s chvostem KDEL do vakuol pro ukládání bílkovin pomocí vezikul odvozených od ER . Relativně kyselé pH vakuol poskytuje optimální podmínky pro zpracování proteáz, protože tyto organely jsou nejen místem působení enzymů, ale také jejich aktivace. Kromě toho jsou peptidázy C1A obvykle uloženy nebo nově syntetizovány v jednom typu buněk, aby iniciovaly degradaci cílových proteinů v jiných typech buněk. Jako příklad lze uvést několik proteáz podobných katepsinu L, H a B v ječmeni, které jsou přítomny ve scutelárním epitelu a aleuronové vrstvě a po vyklíčení jsou v reakci na GA vylučovány do endospermu .
Nejnovější studie o rostlinných C1A peptidázách se většinou týkaly analýz genů založených na sekvenování genomů mnoha rostlinných druhů. Kromě analýz sekvencí aminokyselin a identifikace nových členů proteáz je třeba provést další výzkum na úrovni proteinů, aby se dále objasnila fyziologická role těchto enzymů. Byla publikována účast jednotlivých Cys proteáz na degradaci proteinů během procesů senescence a abscise, programované buněčné smrti, zrání plodů a akumulace a mobilizace zásobních proteinů v semenech a hlízách . C1A proteázy hrají také zásadní roli v lokálních a systémových obranných reakcích proti patogenům a škůdcům .
Pokud jde o proces klíčení, semena fungují jako zásobárny škrobu, bílkovin a lipidů, které se využívají během klíčení, dokud není plně zavedena fotosyntéza. Klíčovým bodem je hydrolýza zásob, kterou provádějí především amylázy a proteázy, buď uložené během zrání semen, nebo nově syntetizované během raného klíčení. Produkty rozkladu jsou pak absorbovány a využity pro vývoj semenáčků. C1A peptidázy jsou popisovány jako nejpočetnější skupina proteáz zodpovědná za degradaci a mobilizaci zásobních proteinů v semenech jednoděložných a dvouděložných druhů . Většina výzkumu klíčení semen byla provedena u obilovin, zejména u ječmene, kde byla většina analyzovaných dějů zaměřena na transkripční úroveň. Jako geny podílející se na kontrole exprese hydroláz na počátku klíčení byla popsána komplexní síť genů kódujících mnoho transkripčních faktorů . Kromě toho se zdá, že aktivita proteázy C1A je regulována na posttranslační úrovni legumainy, Asn-specifickými cysteinovými peptidázami, které se podílejí na zpracování polypeptidů a rozkladu proteinů . Zhang & Jones uvedl, že mezi 42 proteázami, které se podílejí na klíčení semen ječmene, je 27 cysteinových proteáz. Nedávno provedená kompletní analýza transkriptomu klíčení zrna ječmene ve dvou tkáňových frakcích (škrobový endosperm/aleuron a embryo/scutellum) ukázala indukci vysokého počtu genů C1A peptidáz během klíčení, přičemž většina z nich byla zprostředkována gibereliny . Kromě toho se na mobilizaci hordeinů, hlavních zásobních proteinů ječmene, podílelo několik peptidáz podobných katepsinu L z ječmene, které byly různě exprimovány v pletivech semen . Podobně se ortologní geny kódující proteázy C1A z pšenice podílejí na rozkladu objemových bílkovin endospermu pšenice během klíčení semen a následného růstu semenáčků .
Mobilizace zásobních látek v semenech dvouděložných rostlin je rovněž zprostředkována převážně peptidázami C1A, ačkoli jejich prostorové a časové vzorce exprese a aktivity se od jednoděložných rostlin značně liší. V semenech luskovin a řepky jsou globuliny nejhojnějšími zásobními proteiny v zrnu a jsou nejprve mobilizovány v embryonální ose během klíčení. Teprve po vyčerpání zásob bílkovin v ose se většina globulinů po vyklíčení mobilizuje v listenech. Zdá se, že při endoproteolytickém štěpení mobilizace zásobních proteinů v embryonální ose a kotyledonech u různých druhů luskovin mají zásadní význam jiné cysteinové peptidázy, například legumainy . Úloha legumainů byla prokázána také v dějích ukládání a mobilizace 11S globulinů listenu vikve a pohanky během klíčení semen . Wang a kol. nedávno prokázali, že legumainy jsou také nezbytnými enzymy při zrání glutelinů rýže, které tvoří až 80 % celkových bílkovin endospermu rýže.
Senescence je přísně kontrolovaný proces v průběhu vývoje rostlin, který může být modulován endogenními a exogenními faktory a stresy . Je charakterizována rozpadem organizace tkání a vysoce účinnou mobilizací a přemístěním živin ze starých listů, okvětních lístků a dalších orgánů do propadových tkání (hlíz, semen obilovin, plodů) za účelem udržení dalšího růstu a vývoje. Byla popsána řada peptidáz C1A podílejících se na senescenci v různých tkáních a druzích: okvětní lístky Dianthus caryophyllus L. a Alstroemeria , listy pšenice a Arabidopsis , kůra pomeranče , mj. V senescentních tkáních ricinových bobů, denivek a fazolí mungo je propeptidáza s chvostem KDEL hlavní složkou v matrici zvláštní organely (ricinozomu nebo prekurzorového proteázového vezikulu), která vyrůstá z ER. Byla vyslovena hypotéza, že akumulace této peptidázy uvolněné z těchto organel je nutná pro nejpozdější stádia senescence . Navíc protismyslné umlčení proteázy Cyp15a (klasifikované jako peptidáza podobná katepsinu F) vedlo k opožděným fenotypům senescence u Medicago truncatula . Transgenní rostliny tabáku exprimující rýžový cystatin OC-I, inhibitor cysteinových peptidáz, rostly pomaleji než kontroly a vykazovaly změny v obsahu listových proteinů se zvýšeným množstvím mimo jiné dvou izoforem Rubisco activasy spolu se zpožděním senescence . Podle těchto autorů je tedy Rubisco pravděpodobně hlavním cílem cysteinových peptidáz během senescence a mechanismů interakce prostřednictvím vakuolární degradace vezikul obsahujících Rubisco. Podobně byla pozorována akumulace cysteinových peptidáz ve vakuolách spojených se senescencí s intenzivní proteolytickou aktivitou v senescentních listech sóji Arabidopsis a tabáku. Současně byl stanoven trvalý pokles hladiny Rubisco, což naznačuje úlohu těchto proteáz při degradaci chlorofylu během senescence . Kromě toho nálezy prekurzorů peptidáz podobných papainu spolu s pro-legumainy v proteázových třídicích tělíscích ER epidermálních buněk Arabidopsis naznačují, že oba typy cysteinových proteáz přispívají kooperativně k reakcím na stres, stejně jako k mobilizaci zásobních proteinů během klíčení semen .
Peptidázy C1A hrají také klíčovou roli v interakcích rostlinných patogenů a škůdců . Několik zpráv ukázalo, že rostliny používají peptidázy C1A k ochraně proti různým škůdcům. Papain je složkou latexu papáji, která se podílí na obraně papáje proti různým housenkám lepidopter . Mir1 je C1A proteáza z kukuřice indukovaná v reakci na býložravého brouka Spodoptera frugiperda . Po pozření proteolytická aktivita Mir1 poškozuje peritrofní matrici hmyzu a zhoršuje využití živin . Podobně se proteázy C1A uplatňují v obranných procesech proti rostlinným patogenům. Geny pro katepsin B z Arabidopsis se podílejí na hypersenzitivní reakci a jsou nezbytné pro plnou bazální odolnost proti virulentnímu bakteriálnímu patogenu Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Apoplastické efektory vylučované dvěma nepříbuznými eukaryotickými rostlinnými patogeny, houbou Cladosporium fulvum a oomycetou Phytophthora infestans, se zaměřují na obrannou C1A Cys peptidázu Rcr3 rajčete . Tyto efektory jsou inhibitory cystatinových proteáz, což podporuje důležitou roli, kterou v obraně rostlin hraje interakce mezi enzymy C1A a fytocystatiny
.