Biologiske aspekter
Zymogenaktivering finder sted ved begrænset intra- eller intermolekylær proteolyse, der spalter et hæmmende propeptid af. Propeptiderne spiller vigtige roller som modulatorer af proteaseaktiviteten for at sikre, at det modne enzym dannes på det rigtige sted og/eller på det rigtige tidspunkt . Nogle C1A-peptidasemedlemmer syntetiseres med det C-terminale ER-retentionssignal KDEL, som målretter disse proteaser til specialiserede lytiske vesikler. KDEL-sekvensen ser ud til at fungere både som et målretningsdomæne og til at bevare en inaktiv form . Desuden omfatter plantegranulinerne, der betragtes som en underklasse af papainfamilien og også er involveret i senescens, en C-terminal forlængelsessekvens med et Pro-rigt område og et granulindomæne med en høj homologi til dyreproteaser i epithelin/granulin-familien . Dette granulinlignende domæne kan også deltage i reguleringen af proteasernes opløselighed og i aktiveringen af dem.
C1A-peptidasernes aktivitet afhænger også af pH-værdien, hvilket er en indikation af det kompartment, hvor de lokaliseres, og af tilstedeværelsen af endogene proteaseregulatorer. Kompartmentalisering i cellerne giver et yderligere niveau af regulering, hvorved planteceller indeholder flere forskellige typer organeller, der hver især har en specialiseret funktion. De inaktive pro-enzymer syntetiseres i lumen af det endoplasmatiske retikulum (ER). Derefter transporteres de via trans-Golgi-netværket til vacuoler eller sekreteres eksternt for at nå frem til det målprotein, der skal nedbrydes. Desuden er der rapporteret om massetransport af proformer af KDEL-halede C1A-peptidaser til proteinopbevaringsvakuoler via ER-afledte vesikler i mobiliseringen i dicotyledone spirende frø . Vakuolernes relativt sure pH-værdi giver optimale betingelser for proteaseforarbejdning, da disse organeller ikke kun er stedet for enzymernes virkning, men også for deres aktivering. Desuden lagres eller syntetiseres C1A-peptidaser normalt i én celletype for at indlede nedbrydningen af målproteiner i andre celletyper. Som eksempel kan nævnes, at flere bygkathepsin L-, H- og B-lignende proteaser er til stede i scutellar epithelet og aleuronlaget og derefter udskilles til endospermen ved spiring som reaktion på GA .
Den seneste tids undersøgelser af C1A-peptidase i planter har hovedsagelig vedrørt analyser af gener baseret på sekventering af genomer fra mange plantearter. Ud over aminosyresekvensanalyserne og identifikationen af nye proteasemedlemmer skal der foretages mere forskning på proteinniveau for yderligere at belyse disse enzymers fysiologiske roller. De enkelte Cys-proteasers deltagelse i proteinnedbrydning under senescens og abscissionsprocesser, programmeret celledød, modning af frugter samt akkumulering og mobilisering af lagringsproteiner i frø og knolde er blevet offentliggjort . C1A-proteaser spiller også en væsentlig rolle i lokale og systemiske forsvarsreaktioner mod patogener og skadedyr .
Med hensyn til spiringsprocessen fungerer frø som lagre af stivelse, proteiner og lipider, der anvendes under spiringen, indtil fotosyntesen er fuldt etableret. Hydrolyse af reserverne er et nøglepunkt, som hovedsagelig udføres af amylaser og proteaser, der enten er lagret under frømodningen eller nyligt syntetiseret under den tidlige spiring. Nedbrydningsprodukterne absorberes og udnyttes derefter i forbindelse med kimplanternes udvikling. C1A-peptidaser er beskrevet som den mest udbredte gruppe af proteaser, der er ansvarlige for nedbrydning og mobilisering af lagringsproteiner i frø af monokotone og dikotyledone arter . Det meste forskning i frøspiring er blevet udført i korn, især i byg, hvor størstedelen af de analyserede begivenheder har været fokuseret på transkriptionelt niveau. Et komplekst netværk af gener, der koder for flere transkriptionelle faktorer, er blevet beskrevet som gener, der er involveret i kontrollen af hydrolaseekspressionen i begyndelsen af spiringen . Desuden synes C1A-proteaseaktiviteten at blive reguleret på posttranslationelt niveau af legumainer, Asn-specifikke cysteinpeptidaser, der er involveret i polypeptidbehandling og proteinnedbrydning . Zhang & Jones rapporterede, at 27 cysteinproteaser var blandt de 42 proteaser, der var involveret i spiring af bygfrø . For nylig viste en fuldstændig transkriptomanalyse af spiring af bygkorn i to vævsfraktioner (stivelsesholdigt endosperm/aleuron og embryo/scutellum) induktion af et stort antal C1A-peptidasegener under spiring, hvoraf de fleste var medieret af gibberelliner . Desuden er flere cathepsin L-lignende peptidaser fra byg, der udtrykkes forskelligt i frøvæv, blevet inddraget i mobiliseringen af hordeiner, de vigtigste lagringsproteiner fra byg . På samme måde deltager ortologer, der koder for C1A-proteaser fra hvede, i nedbrydning af bulkproteiner i hvedeendosperm under spiring af frø og efterfølgende vækst af kimplanter .
Mobilisering af lagrede forbindelser i frø af tokimbladede planter formidles også hovedsageligt af C1A-peptidaser, selv om deres rumlige og tidsmæssige ekspressionsmønstre og aktiviteter adskiller sig betydeligt fra monokotyper. I frø af bælgplanter og raps er globuliner de mest rigelige lagringsproteiner i kornet og mobiliseres først i den embryonale akse under spiring. Først når proteinreserverne er opbrugt i aksen, mobiliseres størstedelen af globulinerne i kimbladene efter spiringen. Andre cysteinpeptidaser, såsom legumainerne, synes at være afgørende for den endoproteolytiske spaltning af lagringsproteinmobiliseringen i den embryonale aksel og kimbladene i forskellige bælgplantearter . Legumains rolle er også blevet påvist i forbindelse med aflejring og mobilisering af 11S-globulinerne i kotyledoner af vikke og boghvede under spiring af frø . For nylig har Wang et al. vist, at legumainer også er essentielle enzymer i modningen af risgluteliner, som udgør op til 80% af de samlede endospermproteiner i ris.
Senescens er en strengt kontrolleret proces i hele planteudviklingen, som kan moduleres af endogene og eksogene faktorer og stress . Den er karakteriseret ved nedbrydning af vævets organisation og en meget effektiv mobilisering og omplacering af næringsstoffer fra gamle blade, kronblade og andre organer til synkevæv (knolde, kornfrø, frugter) for at opretholde yderligere vækst og udvikling. Der er beskrevet en række C1A-peptidaser, der er involveret i senescens i forskellige væv og arter: kronblade af Dianthus caryophyllus L. og Alstroemeria , hvede- og Arabidopsis-blade , skræl af appelsin, bl.a.. I senescerende væv fra ricinusbønne, daglilje og mungbønne er KDEL-propeptidasen den vigtigste komponent i matricen i en særlig organel (ricinosom eller forstadieproteasevesikel), som udgår fra ER. Det er blevet antaget, at ophobningen af denne peptidase, der frigives fra disse organeller, er nødvendig for de seneste stadier af senescens . Desuden resulterede anti-sense silencing af proteasen Cyp15a (klassificeret som cathepsin F-lignende peptidase) i forsinkede senescensfænotyper i Medicago truncatula . Transgene tobaksplanter, der udtrykker riscystatin OC-I, en cysteinpeptidasehæmmer, voksede langsommere end kontrolplanter og viste ændringer i bladproteinindholdet med en øget forekomst af bl.a. to Rubisco-aktivaseisoformer sammen med forsinket senescens . Ifølge disse forfattere er Rubisco således sandsynligvis et vigtigt mål for cysteinpeptidaser under senescens og interaktionsmekanismer gennem vacuolar nedbrydning af Rubisco-holdige vesikler. Ligeledes er der blevet observeret en akkumulering af cysteinpeptidaser i senescensassocierede vacuoler med en intensiv proteolytisk aktivitet i senescent Arabidopsis sojabønne- og tobaksblade. Sideløbende hermed blev der konstateret et støt fald i Rubisco-niveauerne, hvilket tyder på, at disse proteaser spiller en rolle i nedbrydningen af klorofyl under senescens. Desuden tyder fund af forstadier til papainlignende peptidaser sammen med pro-legumainer i protease-sorterende ER-legemer i Arabidopsis epidermalceller på, at begge typer cysteinproteaser bidrager kooperativt til stressreaktioner, ligesom de gør til mobilisering af lagringsproteiner under frøspiring .
C1A-peptidaser spiller også afgørende roller i interaktioner mellem plantepatogener og skadedyr . Flere rapporter har vist, at planter bruger C1A-peptidaser til at beskytte sig mod forskellige skadedyr. Papain er en bestanddel af papayalatex, der er involveret i papayatræets forsvar mod forskellige lepidopteriske larver . Mir1 er en C1A-protease fra majs, som induceres som reaktion på den planteædende hærorm Spodoptera frugiperda . Når Mir1’s proteolytiske aktivitet er indtaget, beskadiger den insektets peritrofiske matrix og forringer udnyttelsen af næringsstoffer . Ligeledes anvendes C1A-proteaser i forsvarsprocesser mod plantepatogener. Cathepsin B-gener fra Arabidopsis er involveret i det hypersensitive respons og er nødvendige for fuld basal resistens mod det virulente bakterielle patogen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Apoplastiske effektorer, der udskilles af to ubeslægtede eukaryote plantepatogener, svampen Cladosporium fulvum og oomyceten Phytophthora infestans, er målrettet mod tomatforsvarets C1A Cys-peptidase Rcr3 . Disse effektorer er cystatinlignende cysteinproteaseinhibitorer, hvilket understøtter den vigtige rolle, som interaktionen mellem C1A-enzymer og phytocystatiner spiller i planteforsvaret.