Biológiai szempontok
A zimogének aktiválása korlátozott intra- vagy intermolekuláris proteolízissel történik, amely egy gátló propeptidet hasít le . A proszekvenciák fontos szerepet játszanak a proteáz aktivitás modulátoraiként, hogy garantálják, hogy az érett enzim a megfelelő helyen és/vagy a megfelelő időben képződik . A C1A peptidázok egyes tagjai a C-terminális ER-visszatartási szignállal KDEL szintetizálódnak, amely ezeket a proteázokat speciális lítikus vezikulákba irányítja. Úgy tűnik, hogy a KDEL szekvencia egyszerre szolgál célzási doménként és egy inaktív forma megtartására . Ezenkívül a növényi granulinok, amelyeket a papain család egyik alosztályának tekintenek, és amelyek szintén részt vesznek az öregedésben, tartalmaznak egy C-terminális hosszabbító szekvenciát egy Pro-gazdag régióval és egy granulin doménnel, amely nagy homológiát mutat az epithelin/granulin családba tartozó állati proteázokkal . Ez a granulinszerű domén is részt vehet a proteáz oldhatóságának szabályozásában és aktiválásában .
A C1A peptidázok aktivitása a pH-tól is függ, ami jelzi a lokalizációs kompartmentet és az endogén proteáz szabályozók jelenlétét. A sejteken belüli kompartmentalizáció a szabályozás egy további szintjét biztosítja, mivel a növényi sejtek több különböző típusú organellumot tartalmaznak, amelyek mindegyike speciális funkcióval rendelkezik. Az inaktív pro-enzimek az endoplazmatikus retikulum (ER) lumenében szintetizálódnak. Ezután a transz-Golgi-hálózaton keresztül végül a vakuolumokba szállítódnak vagy külsőleg szekretálódnak, hogy elérjék a lebontandó célfehérjét . Ezenkívül a KDEL-farkú C1A peptidázok proformáinak tömeges szállításáról számoltak be a fehérjeraktározó vakuolumokba ER-eredetű vezikulákon keresztül a mozgósítás során a kétszikű magvak csírázó magvaiban . A vakuolumok viszonylag savas pH-ja optimális feltételeket biztosít a proteázok feldolgozásához, mivel ezek az organellumok nemcsak az enzimhatás, hanem az aktiválásuk helyszínei is. Továbbá a C1A peptidázokat általában egy sejttípusban tárolják vagy újonnan szintetizálják, hogy más sejttípusokban kezdeményezzék a célfehérjék lebontását. Például számos árpa kathepszin L-, H- és B-szerű proteáz jelen van a skutelláris epitéliumban és az aleuronrétegben, majd csírázáskor a GA hatására az endospermiumba szekretálódik.
A növényi C1A peptidázzal kapcsolatos újabb vizsgálatok többnyire a gének elemzésével foglalkoztak, amelyek számos növényfaj genomjának szekvenálásán alapulnak. Az aminosavszekvencia-elemzések és az új proteáz-tagok azonosítása mellett további fehérjeszintű kutatásokat kell végezni ezen enzimek fiziológiai szerepének további tisztázása érdekében. Publikálták az egyes Cys-proteázok részvételét a fehérjék lebontásában az öregedési és abszcissziós folyamatok, a programozott sejthalál, a gyümölcsérés, valamint a tárolófehérjék felhalmozódása és mobilizációja során a magokban és gumókban . A C1A proteázok alapvető szerepet játszanak a kórokozók és kártevők elleni helyi és szisztémás védelmi válaszokban is .
A csírázási folyamatot tekintve a magok keményítő-, fehérje- és lipidraktárként működnek, amelyeket a csírázás során használnak fel, amíg a fotoszintézis teljesen be nem indul. A tartalékok hidrolízise kulcsfontosságú pont, amelyet főként amilázok és proteázok végeznek, amelyek vagy a magok érése során tárolódnak, vagy a korai csírázás során újonnan szintetizálódnak. A bomlástermékek ezután felszívódnak és felhasználódnak a csíranövény fejlődéséhez. A C1A peptidázokat a proteázok legnagyobb mennyiségben előforduló csoportjaként írják le, amelyek a tárolási fehérjék lebontásáért és mobilizálásáért felelősek az egyszikű és kétszikű fajok magvaiban . A legtöbb magcsírázási kutatást gabonafélékben, különösen árpában végezték, ahol az elemzett események többsége a transzkripciós szintre összpontosított. A csírázás kezdetén a hidrolázok expressziójának szabályozásában részt vevő génekként több transzkripciós faktort kódoló gének komplex hálózatát írták le . Emellett úgy tűnik, hogy a C1A proteáz aktivitását poszttranszlációs szinten legumainok, Asn-specifikus ciszteinpeptidázok szabályozzák, amelyek részt vesznek a polipeptidek feldolgozásában és a fehérjék lebontásában . Zhang & Jones arról számolt be, hogy az árpamag csírázásában részt vevő 42 proteáz között 27 cisztein-proteáz volt . A közelmúltban az árpaszem csírázásának teljes transzkriptom-elemzése két szöveti frakcióban (keményítő endospermium/aleuron és embrió/scutellum) kimutatta a C1A peptidáz gének nagyszámú indukcióját a csírázás során, amelyek többségét a gibberellinek közvetítik . Ezenkívül több, a magszövetekben eltérő módon kifejeződő, árpából származó kathepszin L-szerű peptidáz is szerepet játszik az árpa fő raktározási fehérjéinek, a hordeineknek a mobilizálásában . Hasonlóképpen, a búzából származó C1A proteázokat kódoló ortológ gének részt vesznek a búza endospermiumának tömeges fehérjebontásában a mag csírázás és az azt követő csíranövény növekedés során .
A tárolt vegyületek mobilizációját a kétszikű magvakban szintén elsősorban C1A peptidázok közvetítik, bár térbeli és időbeli expressziós és aktivitási mintázatuk jelentősen eltér az egyszikűektől. A hüvelyesek és a repce magvaiban a globulinok a legnagyobb mennyiségben előforduló tárolófehérjék a szemekben, és először az embrionális tengelyben mobilizálódnak a csírázás során. Csak miután a fehérjetartalékok kimerültek a tengelyben, a globulinok nagy része a csírázás után a sziklevelekben mobilizálódik. Úgy tűnik, hogy más ciszteinpeptidázok, például a legumainok alapvető fontosságúak az endoproteolitikus hasításban a tárolási fehérjék mobilizációjában az embrionális tengelyben és a sziklevelekben a különböző hüvelyes fajokban . A legumainok szerepét kimutatták a bükköny és a hajdina szotyledonjainak 11S globulinjainak magcsírázás során történő lerakódása és mobilizációja során is . A közelmúltban Wang és munkatársai kimutatták, hogy a legumainok a rizs glutelinek érésében is alapvető enzimek, amelyek a rizsben az összes endosperm fehérje 80%-át teszik ki.
A szeneszcencia egy szigorúan szabályozott folyamat a növény fejlődése során, amelyet endogén és exogén tényezők és stresszhatások módosíthatnak . Jellemzője a szöveti szervezet lebomlása és a tápanyagok nagy hatékonyságú mobilizálása és áthelyezése az öreg levelekből, szirmokból és más szervekből a süllyedő szövetekbe (gumók, gabonamagvak, gyümölcsök) a további növekedés és fejlődés fenntartása érdekében. Számos C1A peptidázt írtak le, amelyek különböző szövetekben és fajokban részt vesznek az öregedésben: többek között a Dianthus caryophyllus L. és az Alstroemeria szirmai , a búza és az Arabidopsis levelei , a narancs héjhámja. A ricinus, a napraforgó és a mungóbab öregedő szöveteiben a KDEL-farkú propeptidáz a fő összetevője egy speciális organellum (ricinoszóma vagy prekurzor proteáz vezikulum) mátrixának, amely az ER-ből bimbózik. Feltételezték, hogy ennek az organellumokból felszabaduló peptidáznak a felhalmozódása szükséges az öregedés legújabb stádiumaihoz . Ezenkívül a Cyp15a proteáz (a kathepszin F-szerű peptidázként besorolt) antiszenz csendesítése késleltetett öregedési fenotípust eredményezett Medicago truncatula-ban . A rizskisztatin OC-I-t, egy ciszteinpeptidáz gátlót expresszáló transzgenikus dohánynövények lassabban nőttek, mint a kontrollok, és a levelek fehérjetartalmának változását mutatták, többek között a Rubisco aktiváz két izoformájának megnövekedett mennyiségével, valamint késleltetett öregedéssel együtt . Így e szerzők szerint a Rubisco valószínűleg a ciszteinpeptidázok fő célpontja a szeneszcencia során és a kölcsönhatási mechanizmusok a Rubisco-tartalmú vezikulák vakuoláris degradációján keresztül. Hasonlóképpen, az öregedő Arabidopsis szója és dohány levelekben megfigyelték a ciszteinpeptidázok felhalmozódását a szeneszcenciához kapcsolódó vakuolumokban, intenzív proteolitikus aktivitással. Ezzel párhuzamosan a Rubisco szintjének folyamatos csökkenését állapították meg, ami azt jelzi, hogy ezek a proteázok szerepet játszanak a klorofill lebontásában az öregedés során . Ezenkívül a papainszerű peptidázok prekurzorainak és pro-legumainoknak az Arabidopsis epidermális sejtjeinek proteáz-szortírozó ER testeiben történő kimutatása azt jelzi, hogy mindkét típusú cisztein-proteáz kooperatív módon járul hozzá a stresszválaszokhoz, ahogyan a magcsírázás során a raktározási fehérjék mobilizálásához is.
A C1A peptidázok a növényi patogének és kártevők közötti kölcsönhatásokban is döntő szerepet játszanak . Több jelentés is kimutatta, hogy a növények C1A peptidázokat használnak a különböző kártevők elleni védekezésre. A papain a papaya latex egyik összetevője, amely részt vesz a papaya fa különböző lepidoptera hernyók elleni védekezésében . A Mir1 egy kukoricából származó C1A-proteáz, amelyet a Spodoptera frugiperda növényevő páncélféreggel szemben indukálnak. A Mir1 proteolitikus aktivitása a lenyelés után károsítja a rovar peritrofikus mátrixát, rontva a tápanyag-hasznosítást . Hasonlóképpen, a C1A proteázokat a növényi kórokozók elleni védekezési folyamatokban használják. Az Arabidopsisból származó kathepszin B gének részt vesznek a hiperszenzitív válaszban, és szükségesek a Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 virulens bakteriális patogénnel szembeni teljes bazális rezisztenciához . Két, egymással nem rokon eukarióta növényi kórokozó, a Cladosporium fulvum gomba és a Phytophthora infestans oomyceta által szekretált apoplasztikus effektorok a paradicsom védelmi C1A Cys peptidázát, az Rcr3-at célozzák. Ezek az effektorok cisztatinszerű ciszteinproteáz-inhibitorok, amelyek alátámasztják a C1A enzimek és a fitocisztatinok közötti kölcsönhatás fontos szerepét a növényi védekezésben.