Aspects biologiques
L’activation du zymogène a lieu par une protéolyse limitée intra- ou intermoléculaire clivant un propeptide inhibiteur . Les prosequences jouent des rôles importants en tant que modulateurs de l’activité protéasique pour garantir que l’enzyme mature est formée au bon endroit et/ou au bon moment . Certains membres de la peptidase C1A sont synthétisés avec le signal de rétention ER C-terminal KDEL qui cible ces protéases vers des vésicules lytiques spécialisées. La séquence KDEL semble agir à la fois comme un domaine de ciblage et pour conserver une forme inactive. De plus, les granulines végétales, qui sont considérées comme une sous-classe de la famille des papaïnes et sont également impliquées dans la sénescence, comprennent une séquence d’extension C-terminale avec une région riche en Pro et un domaine de granuline présentant une homologie élevée avec les protéases animales de la famille des épithélines/granulines. Ce domaine de type granuline peut également participer à la régulation de la solubilité de la protéase et à son activation .
L’activité des peptidases C1A dépend également du pH, révélateur du compartiment où elles se localisent et de la présence de régulateurs protéasiques endogènes. La compartimentation à l’intérieur des cellules fournit un autre niveau de régulation, les cellules végétales contenant plusieurs types d’organites différents ayant chacun une fonction spécialisée. Les pro-enzymes inactives sont synthétisées dans la lumière du réticulum endoplasmique (RE). Puis, via le réseau trans-Golgi, elles sont finalement transportées vers les vacuoles ou sécrétées à l’extérieur pour atteindre la protéine cible à dégrader. De plus, le transport de masse de proformes de peptidases C1A à queue KDEL vers les vacuoles de stockage des protéines par des vésicules dérivées du RE a été rapporté lors de la mobilisation dans les graines germées de dicotylédones . Le pH relativement acide des vacuoles fournit les conditions optimales pour la transformation des protéases, puisque ces organelles ne sont pas seulement le site d’action des enzymes mais aussi de leur activation. De plus, les peptidases C1A sont généralement stockées ou nouvellement synthétisées dans un type de cellule pour initier la dégradation des protéines cibles dans d’autres types de cellules. A titre d’exemple, plusieurs protéases de type cathepsine L, H et B de l’orge sont présentes dans l’épithélium scutellaire et la couche d’aleurone, puis sécrétées dans l’endosperme lors de la germination en réponse à GA .
Les études récentes sur la peptidase C1A végétale ont surtout concerné des analyses de gènes basées sur le séquençage des génomes de nombreuses espèces végétales. En plus des analyses de séquences d’acides aminés et de l’identification de nouveaux membres de la protéase, d’autres recherches au niveau des protéines doivent être effectuées pour élucider davantage les rôles physiologiques de ces enzymes. La participation de protéases Cys individuelles à la dégradation des protéines pendant les processus de sénescence et d’abscission, la mort cellulaire programmée, la maturation des fruits, ainsi que l’accumulation et la mobilisation des protéines de stockage dans les graines et les tubercules ont été publiées. Les protéases C1A jouent également un rôle essentiel dans les réponses de défense locales et systémiques contre les pathogènes et les ravageurs .
En ce qui concerne le processus de germination, les graines agissent comme des réserves d’amidon, de protéines et de lipides qui sont utilisées pendant la germination jusqu’à ce que la photosynthèse soit pleinement établie. L’hydrolyse des réserves est un point clé qui est accompli principalement par des amylases et des protéases, soit stockées pendant la maturation de la graine, soit nouvellement synthétisées pendant le début de la germination. Les produits de dégradation sont ensuite absorbés et utilisés pour le développement des semis. Les peptidases C1A sont décrites comme le groupe le plus abondant de protéases responsables de la dégradation et de la mobilisation des protéines de stockage dans les graines des espèces monocotylédones et dicotylédones. La plupart des recherches sur la germination des graines ont été effectuées sur les céréales, en particulier sur l’orge, où la majorité des événements analysés se sont concentrés sur le niveau transcriptionnel. Un réseau complexe de gènes codant pour de multiples facteurs de transcription a été décrit comme gènes impliqués dans le contrôle de l’expression de l’hydrolase au début de la germination . De plus, l’activité de la protéase C1A semble être régulée au niveau post-traductionnel par les légumines, des cystéine peptidases spécifiques de l’Asn impliquées dans le traitement des polypeptides et la dégradation des protéines . Zhang & Jones a signalé que 27 cystéines protéases étaient parmi les 42 protéases impliquées dans la germination des graines d’orge. Récemment, une analyse complète du transcriptome de la germination des grains d’orge dans deux fractions de tissus (endosperme amidonné/aleurone et embryon/scutellum) a montré l’induction d’un nombre élevé de gènes de peptidase C1A pendant la germination, la plupart d’entre eux étant médiés par les gibbérellines . De plus, plusieurs peptidases de type cathepsine L de l’orge, exprimées différemment dans les tissus des graines, ont été impliquées dans la mobilisation des hordéines, les principales protéines de stockage de l’orge. De même, les gènes orthologues codant pour les protéases C1A du blé participent à la dégradation des protéines en vrac de l’endosperme du blé pendant la germination des graines et la croissance ultérieure des plantules.
La mobilisation des composés stockés dans les graines de dicotylédones est également principalement médiée par les peptidases C1A, bien que leurs modèles spatiaux et temporels d’expression et d’activités diffèrent considérablement de ceux des monocotylédones. Dans les graines de légumineuses et de colza, les globulines sont les protéines de stockage les plus abondantes dans le grain et sont d’abord mobilisées dans l’axe embryonnaire pendant la germination. Ce n’est qu’après l’épuisement des réserves protéiques dans l’axe que la majeure partie des globulines est mobilisée dans les cotylédons après la germination. D’autres cystéine peptidases, comme les légumines, semblent être essentielles dans le clivage endoprotéolytique de la mobilisation des protéines de stockage dans l’axe embryonnaire et les cotylédons chez différentes espèces de légumineuses. Le rôle des légumines a également été démontré dans les événements de dépôt et de mobilisation des globulines 11S des cotylédons de vesce et de sarrasin pendant la germination des graines. Récemment, Wang et al. ont montré que les légumaines sont également des enzymes essentielles dans la maturation des glutélines du riz, qui constituent jusqu’à 80% des protéines totales de l’endosperme du riz.
La sénescence est un processus strictement contrôlé tout au long du développement des plantes qui peut être modulé par des facteurs endogènes et exogènes et des stress . Elle se caractérise par le démantèlement de l’organisation du tissu et une mobilisation et une relocalisation très efficaces des nutriments des vieilles feuilles, des pétales et d’autres organes vers les tissus puits (tubercules, graines de céréales, fruits) pour soutenir la poursuite de la croissance et du développement. Un certain nombre de peptidases C1A impliquées dans la sénescence dans différents tissus et espèces ont été décrites : les pétales de Dianthus caryophyllus L. et d’Alstroemeria, les feuilles de blé et d’Arabidopsis, le piquage de l’orange, entre autres. Dans les tissus en sénescence du ricin, de l’hémérocalle et du haricot mungo, la propeptidase à queue KDEL est le principal composant de la matrice d’un organite spécial (ricinosome ou vésicule de la protéase précurseur) qui bourgeonne du RE. On a émis l’hypothèse que l’accumulation de cette peptidase libérée par ces organelles est nécessaire aux derniers stades de la sénescence. De plus, l’extinction anti-sens de la protéase Cyp15a (classée comme peptidase semblable à la cathepsine F) a entraîné des phénotypes de sénescence retardée chez Medicago truncatula. Les plants de tabac transgéniques exprimant la cystatine OC-I du riz, un inhibiteur de la cystéine peptidase, ont grandi plus lentement que les témoins et ont montré des changements dans le contenu protéique des feuilles avec une abondance accrue, entre autres, de deux isoformes de l’activase Rubisco, ainsi qu’une sénescence retardée. Ainsi, selon ces auteurs, la Rubisco est probablement une cible majeure des cystéine peptidases pendant la sénescence et les mécanismes d’interaction par la dégradation vacuolaire des vésicules contenant la Rubisco. De même, une accumulation de cystéine peptidases dans les vacuoles associées à la sénescence, avec une activité protéolytique intense, a été observée dans les feuilles sénescentes d’Arabidopsis, de soja et de tabac. En parallèle, une diminution régulière des niveaux de Rubisco a été déterminée, indiquant le rôle de ces protéases dans la dégradation de la chlorophylle pendant la sénescence . En outre, la découverte de précurseurs de peptidases de type papaïne ainsi que de pro-légumines dans les corps ER de triage des protéases des cellules épidermiques d’Arabidopsis indique que les deux types de protéases à cystéine contribuent de manière coopérative aux réponses au stress, comme ils le font pour la mobilisation des protéines de stockage pendant la germination des graines .
Les peptidases C1A jouent également des rôles cruciaux dans les interactions entre les phytopathogènes et les ravageurs . Plusieurs rapports ont montré que les plantes utilisent les peptidases C1A pour se protéger contre différents ravageurs. La papaïne est un composant du latex de papaye impliqué dans la défense du papayer contre différentes chenilles de lépidoptères. Mir1 est une protéase C1A du maïs induite en réponse au légionnaire herbivore Spodoptera frugiperda . Une fois ingérée, l’activité protéolytique de Mir1 endommage la matrice péritrophique de l’insecte et nuit à l’utilisation des nutriments. De même, les protéases C1A sont utilisées dans les processus de défense contre les agents pathogènes des plantes. Les gènes de la cathepsine B d’Arabidopsis sont impliqués dans la réponse hypersensible et sont nécessaires pour une résistance basale totale contre la bactérie pathogène virulente Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Des effecteurs apoplastiques sécrétés par deux phytopathogènes eucaryotes non apparentés, le champignon Cladosporium fulvum et l’oomycète Phytophthora infestans, ciblent la Cys peptidase C1A de défense Rcr3 de la tomate. Ces effecteurs sont des inhibiteurs de cystine-protéase de type cystatine, ce qui confirme le rôle important que joue l’interaction entre les enzymes C1A et les phytocystatines dans la défense des plantes.