Biologische Aspekte
Die Aktivierung von Zymogenen erfolgt durch begrenzte intra- oder intermolekulare Proteolyse unter Abspaltung eines hemmenden Propeptids. Die Prosequenzen spielen eine wichtige Rolle als Modulatoren der Proteaseaktivität, um zu gewährleisten, dass das reife Enzym an der richtigen Stelle und/oder zum richtigen Zeitpunkt gebildet wird. Einige Mitglieder der C1A-Peptidase werden mit dem C-terminalen ER-Retentionssignal KDEL synthetisiert, das diese Proteasen auf spezielle lytische Vesikel ausrichtet. Die KDEL-Sequenz scheint sowohl als Targeting-Domäne als auch zur Aufrechterhaltung einer inaktiven Form zu dienen. Darüber hinaus enthalten die pflanzlichen Granuline, die als Unterklasse der Papain-Familie angesehen werden und ebenfalls an der Seneszenz beteiligt sind, eine C-terminale Verlängerungssequenz mit einer Pro-reichen Region und einer Granulin-Domäne mit einer hohen Homologie zu tierischen Proteasen der Epithelin/Granulin-Familie. Diese Granulin-ähnliche Domäne könnte auch an der Regulierung der Löslichkeit der Protease und ihrer Aktivierung beteiligt sein.
Die Aktivität der C1A-Peptidasen hängt auch vom pH-Wert ab, was auf das Kompartiment, in dem sie lokalisiert sind, und auf das Vorhandensein endogener Proteaseregulatoren hinweist. Die Kompartimentierung innerhalb der Zellen stellt eine weitere Ebene der Regulierung dar, wobei Pflanzenzellen mehrere verschiedene Arten von Organellen enthalten, die jeweils eine spezialisierte Funktion haben. Die inaktiven Pro-Enzyme werden im Lumen des endoplasmatischen Retikulums (ER) synthetisiert. Anschließend werden sie über das trans-Golgi-Netzwerk in die Vakuolen transportiert oder nach außen sezerniert, um das Zielprotein zu erreichen, das abgebaut werden soll. Darüber hinaus wurde ein Massentransport von Proformen der KDEL-geschwänzten C1A-Peptidasen zu den Proteinspeichervakuolen durch vom ER abgeleitete Vesikel bei der Mobilisierung in keimenden Samen von Dikotyledonen berichtet. Der relativ saure pH-Wert der Vakuolen bietet optimale Bedingungen für die Proteaseverarbeitung, da diese Organellen nicht nur der Ort der Enzymwirkung, sondern auch ihrer Aktivierung sind. Außerdem werden C1A-Peptidasen normalerweise in einem Zelltyp gespeichert oder neu synthetisiert, um den Abbau von Zielproteinen in anderen Zelltypen einzuleiten. So sind beispielsweise mehrere Gersten-Cathepsin-L-, -H- und -B-ähnliche Proteasen im Scutellarepithel und in der Aleuronschicht vorhanden und werden bei der Keimung als Reaktion auf GA in das Endosperm sezerniert.
Neuere Studien über pflanzliche C1A-Peptidase betrafen hauptsächlich Analysen von Genen, die auf der Sequenzierung von Genomen vieler Pflanzenarten beruhen. Zusätzlich zu den Aminosäuresequenzanalysen und der Identifizierung neuer Protease-Mitglieder muss mehr Forschung auf Proteinebene betrieben werden, um die physiologische Rolle dieser Enzyme weiter aufzuklären. Die Beteiligung einzelner Cys-Proteasen am Proteinabbau während der Seneszenz und der Abszission, des programmierten Zelltods, der Fruchtreifung sowie der Akkumulation und Mobilisierung von Speicherproteinen in Samen und Knollen wurde bereits veröffentlicht. C1A-Proteasen spielen auch eine wesentliche Rolle bei lokalen und systemischen Abwehrreaktionen gegen Krankheitserreger und Schädlinge.
Beim Keimungsprozess fungieren Samen als Speicher für Stärke, Proteine und Lipide, die während der Keimung bis zur vollständigen Etablierung der Photosynthese verwendet werden. Die Hydrolyse der Reserven ist ein wichtiger Punkt, der hauptsächlich durch Amylasen und Proteasen erfolgt, die entweder während der Samenreifung gespeichert oder während der frühen Keimung neu synthetisiert werden. Die Abbauprodukte werden dann absorbiert und für die Keimlingsentwicklung genutzt. C1A-Peptidasen werden als die am häufigsten vorkommende Gruppe von Proteasen beschrieben, die für den Abbau und die Mobilisierung von Speicherproteinen in Samen von ein- und zweikeimblättrigen Arten verantwortlich sind. Die meisten Forschungsarbeiten zur Keimung von Samen wurden bei Getreide, insbesondere bei Gerste, durchgeführt, wo sich die meisten analysierten Ereignisse auf die Transkriptionsebene konzentrierten. Ein komplexes Netzwerk von Genen, die für mehrere Transkriptionsfaktoren kodieren, wurde als Gene beschrieben, die an der Kontrolle der Hydrolase-Expression zu Beginn der Keimung beteiligt sind. Darüber hinaus scheint die C1A-Proteaseaktivität auf der posttranslationalen Ebene durch Legumains, Asn-spezifische Cysteinpeptidasen, die an der Polypeptidverarbeitung und dem Proteinabbau beteiligt sind, reguliert zu werden. Zhang & Jones berichtete, dass 27 Cysteinproteasen zu den 42 Proteasen gehören, die an der Keimung von Gerstensamen beteiligt sind. Kürzlich zeigte eine vollständige Transkriptomanalyse der Keimung von Gerstenkörnern in zwei Gewebefraktionen (stärkehaltiges Endosperm/Aleuron und Embryo/Scutellum) die Induktion einer großen Anzahl von C1A-Peptidase-Genen während der Keimung, wobei die meisten von ihnen durch Gibberelline vermittelt werden. Darüber hinaus wurden mehrere Cathepsin L-ähnliche Peptidasen aus Gerste, die in verschiedenen Samengeweben exprimiert werden, mit der Mobilisierung von Hordeinen, den wichtigsten Speicherproteinen der Gerste, in Verbindung gebracht. In ähnlicher Weise sind orthologe Gene, die für C1A-Proteasen aus Weizen kodieren, am Abbau von Massenproteinen im Weizenendosperm während der Keimung und des anschließenden Keimlingswachstums beteiligt.
Die Mobilisierung gespeicherter Verbindungen in zweikeimblättrigen Samen wird ebenfalls hauptsächlich durch C1A-Peptidasen vermittelt, obwohl sich ihre räumlichen und zeitlichen Expressions- und Aktivitätsmuster erheblich von denen der Monokotyledonen unterscheiden. In den Samen von Hülsenfrüchten und Raps sind Globuline die am häufigsten vorkommenden Speicherproteine im Korn und werden während der Keimung zuerst in der Embryonalachse mobilisiert. Erst wenn die Proteinreserven in der Achse erschöpft sind, wird der Großteil der Globuline nach der Keimung in den Keimblättern mobilisiert. Andere Cysteinpeptidasen, wie die Legumains, scheinen bei der endoproteolytischen Spaltung von Speicherproteinen in der Embryonalachse und den Keimblättern verschiedener Leguminosenarten eine wichtige Rolle zu spielen. Die Rolle der Leguminosen wurde auch bei der Ablagerung und Mobilisierung der 11S-Globuline in den Keimblättern von Wicke und Buchweizen während der Samenkeimung nachgewiesen. Kürzlich haben Wang et al. gezeigt, dass Legumaine auch wesentliche Enzyme bei der Reifung von Reisglutelinen sind, die bis zu 80 % der gesamten Endospermproteine in Reis ausmachen.
Seneszenz ist ein streng kontrollierter Prozess während der gesamten Pflanzenentwicklung, der durch endogene und exogene Faktoren und Stressfaktoren moduliert werden kann. Er ist gekennzeichnet durch den Abbau der Gewebeorganisation und eine hocheffiziente Mobilisierung und Verlagerung von Nährstoffen aus alten Blättern, Blütenblättern und anderen Organen in Senkengewebe (Knollen, Getreidesamen, Früchte), um weiteres Wachstum und Entwicklung zu unterstützen. Es wurde eine Reihe von C1A-Peptidasen beschrieben, die in verschiedenen Geweben und Arten an der Seneszenz beteiligt sind: Blütenblätter von Dianthus caryophyllus L. und Alstroemeria , Weizen- und Arabidopsis-Blätter, Orangenschalen, um nur einige zu nennen. In seneszierenden Geweben von Rizinus, Taglilie und Mungobohne ist die KDEL-geschwänzte Propeptidase die Hauptkomponente in der Matrix einer speziellen Organelle (Ricinosom oder Vorläuferprotease-Vesikel), die aus dem ER hervorgeht. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Anhäufung dieser aus diesen Organellen freigesetzten Peptidase für die letzten Stadien der Seneszenz erforderlich ist. Darüber hinaus führte das Anti-Sense-Silencing der Protease Cyp15a (klassifiziert als Cathepsin F-ähnliche Peptidase) zu verzögerten Seneszenz-Phänotypen in Medicago truncatula . Transgene Tabakpflanzen, die das Reis-Cystatin OC-I, einen Cystein-Peptidase-Inhibitor, exprimieren, wuchsen langsamer als die Kontrollpflanzen und zeigten Veränderungen im Blattproteingehalt mit einer erhöhten Abundanz, unter anderem von zwei Rubisco-Aktivase-Isoformen, zusammen mit verzögerter Seneszenz. Diesen Autoren zufolge ist Rubisco wahrscheinlich ein Hauptziel der Cysteinpeptidasen während der Seneszenz und der Mechanismen der Interaktion durch den vakuolären Abbau von Rubisco-haltigen Vesikeln. Ebenso wurde in seneszenten Arabidopsis-, Sojabohnen- und Tabakblättern eine Anhäufung von Cysteinpeptidasen in Seneszenz-assoziierten Vakuolen mit intensiver proteolytischer Aktivität beobachtet. Parallel dazu wurde ein stetiger Rückgang des Rubisco-Spiegels festgestellt, was auf die Rolle dieser Proteasen beim Chlorophyllabbau während der Seneszenz hinweist. Darüber hinaus deuten Funde von Vorläufern papainartiger Peptidasen zusammen mit Pro-Legumänen in proteasensortierenden ER-Körpern von Arabidopsis-Epidermiszellen darauf hin, dass beide Arten von Cysteinproteasen kooperativ zu Stressreaktionen beitragen, wie sie es auch bei der Mobilisierung von Speicherproteinen während der Samenkeimung tun.
C1A-Peptidasen spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Interaktion zwischen Pflanzenpathogenen und Schädlingen. Mehrere Berichte haben gezeigt, dass Pflanzen C1A-Peptidasen nutzen, um sich gegen verschiedene Schädlinge zu schützen. Papain ist ein Bestandteil des Papayalatex, der an der Verteidigung des Papayabaums gegen verschiedene Lepidoptera-Raupen beteiligt ist. Mir1 ist eine C1A-Protease aus Mais, die als Reaktion auf den pflanzenfressenden Heerwurm Spodoptera frugiperda gebildet wird. Nach der Aufnahme schädigt die proteolytische Aktivität von Mir1 die peritrophische Matrix des Insekts und beeinträchtigt die Nährstoffverwertung. Ebenso werden C1A-Proteasen bei der Abwehr von Pflanzenpathogenen eingesetzt. Cathepsin-B-Gene aus Arabidopsis sind an der hypersensitiven Reaktion beteiligt und werden für eine vollständige basale Resistenz gegen den virulenten bakteriellen Erreger Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 benötigt. Apoplastische Effektoren, die von zwei nicht verwandten eukaryotischen Pflanzenpathogenen, dem Pilz Cladosporium fulvum und dem Oomyceten Phytophthora infestans, abgesondert werden, zielen auf die C1A-Cys-Peptidase Rcr3 der Tomate ab. Bei diesen Effektoren handelt es sich um Cystatin-ähnliche Cysteinprotease-Inhibitoren, was die wichtige Rolle der Interaktion zwischen C1A-Enzymen und Phytocystatinen bei der Pflanzenabwehr unterstreicht.