生物学的側面
酵素原の活性化は、分子内または分子間の限られたタンパク質分解により、阻害性プロペプチドが切断されることによって行われる。 プロペプチドはプロテアーゼ活性の調節因子として重要な役割を果たし、成熟した酵素が適切な場所、適切な時間に形成されることを保証している。 C1Aペプチダーゼのメンバーには、C-末端にER保持シグナルKDELを持つものがあり、これらのプロテアーゼは特殊な溶解小胞に標的を定めて合成される。 KDEL配列は、標的化ドメインとして、また不活性型として働くようである。 さらに、パパインファミリーのサブクラスと考えられ、老化にも関与する植物グラニュリンには、Pro-rich領域を持つC末端伸長配列と、エピセリン/グラニュリンファミリーの動物プロテアーゼと高い相同性を持つグラニュリンドメインが存在する . このグラヌリン様ドメインは、プロテアーゼの溶解度の調節や活性化にも関与している可能性がある
C1Aペプチダーゼの活性はpHにも依存し、その局在する区画や内因性のプロテアーゼ制御因子の存在を示している。 細胞内のコンパートメント化は、植物細胞がそれぞれ特殊な機能を持ついくつかの異なるタイプの小器官を含むという、さらなるレベルの制御を提供する。 不活性なプロ酵素は小胞体の内腔で合成される。 そして、トランスゴルジネットワークを経由して、最終的に液胞に輸送されるか、あるいは外部から分泌され、分解されるべき標的タンパク質に到達する。 さらに、双子葉植物の発芽種子における動員では、KDEL-tailed C1AペプチダーゼのプロフォームがER由来の小胞によってタンパク質貯蔵液胞に大量輸送されることが報告されている 。 液胞のpHは比較的酸性であるため、液胞は酵素の作用部位であるだけでなく、活性化部位でもあることから、プロテアーゼ処理に最適な条件といえる。 さらに、C1Aペプチダーゼは通常、ある細胞種で貯蔵または新たに合成され、他の細胞種で標的タンパク質の分解を開始させる。 例えば、オオムギのカテプシンL-、H-、B-様プロテアーゼは鞘翅目上皮とアリューロン層に存在し、GAに応答して発芽時に胚乳に分泌される
植物C1Aペプチダーゼに関する最近の研究は、多くの植物種のゲノムの配列決定に基づいて遺伝子を分析することがほとんどである。 アミノ酸配列の解析や新しいプロテアーゼメンバーの同定に加え、これらの酵素の生理的な役割をさらに解明するために、タンパク質レベルでの研究が必要である。 個々のシステインプロテアーゼが、老化や退行過程、プログラム細胞死、果実の成熟、種子や塊茎における貯蔵タンパク質の蓄積や動員などのタンパク質分解に関与していることは、これまでに発表されている 。 また、C1Aプロテアーゼは病原体や害虫に対する局所的および全身的な防御反応に不可欠な役割を果たしている。
発芽プロセスに関して、種子はデンプン、タンパク質、脂質の貯蔵物として働き、光合成が完全に確立するまでの発芽期間中に使用されている。 貯蔵物の加水分解は重要なポイントで、主にアミラーゼとプロテアーゼによって行われ、これらは種子の成熟期に貯蔵されるか、発芽初期に新たに合成される。 分解産物はその後、吸収され、苗の発育に利用される。 C1Aペプチダーゼは、単子葉・双子葉植物の種子中の貯蔵タンパク質の分解と動員を担う、最も豊富なプロテアーゼ群であるとされている。 種子の発芽に関する研究の多くは、穀物、特に大麦で行われており、その解析は転写レベルに集中している。 発芽初期のヒドロラーゼ発現制御に関与する遺伝子として、複数の転写因子をコードする遺伝子の複雑なネットワークが記述されている . さらに、C1Aプロテアーゼ活性は、ポリペプチドのプロセシングとタンパク質の分解に関与するAsn特異的システインペプチダーゼであるレギュメインによって翻訳後レベルで制御されているようである . Zhang & Jonesは、オオムギ種子の発芽に関与する42のプロテアーゼのうち、27のシステインプロテアーゼが関与していることを報告した。 最近，オオムギ穀物の発芽を2つの組織画分（デンプン質胚乳/アリューロンおよび胚/頭蓋）で完全に解析したところ，発芽中に多数のC1Aペプチダーゼ遺伝子が誘導され，それらの多くはジベレリンによって媒介されることが示された . さらに、種子組織で異なる発現を示す大麦由来のいくつかのカテプシンL様ペプチダーゼは、大麦の主要な貯蔵タンパク質であるホルディンの移動に関与することが示唆されている。 同様に、小麦のC1Aプロテアーゼをコードする相同遺伝子は、種子の発芽とその後の苗の成長中に小麦胚乳のバルクタンパク質分解に関与する。
双子葉植物の種子における貯蔵物質の動員も主にC1Aペプチダーゼによって行われるが、その発現と活性の空間および時間のパターンは単子葉植物とはかなり異なっている。 マメ科やナタネ科の種子では、グロブリンは穀物中に最も多く存在する貯蔵タンパク質であり、発芽時に胚軸に最初に動員される。 発芽後、子葉に動員されるのは、軸部のタンパク質貯蔵量が枯渇した後である。 他のシステインペプチダーゼ、例えばレグメインは、異なるマメ科植物の胚軸と子葉における貯蔵タンパク質動員のエンドタンパク質分解に不可欠であるように思われる 。 また、ベッチやソバの子葉の発芽時の11Sグロブリンの沈着・動員現象にもレグメインの役割が示されている 。 最近、Wang らは、レグメインが、イネの全胚乳タンパク質の 80% を占めるグルテリンの成熟にも必須の酵素であることを示した。
老化は、植物の発生を通じて厳密に制御されたプロセスで、内生および外生因子やストレスによって調節することができる。 その特徴は、組織構造の崩壊と、古い葉や花弁などの器官からシンク組織（塊茎、穀物種子、果実）へ養分を高効率で動員・再配置し、さらなる成長・発達を持続させることである。 C1Aペプチダーゼは、Dianthus caryophyllus L. や Alstroemeria の花弁、小麦やシロイヌナズナの葉、オレンジの皮むきなど、様々な組織や種で老化に関与することが報告されている。 ヒマシ、ヒユ、緑豆の老化組織では、KDEL-tailed propeptidaseは、ERから芽生える特殊なオルガネラ（リシノソームまたは前駆プロテアーゼ小胞）のマトリックスの主成分であった。 このオルガネラから放出されるこのペプチダーゼの蓄積が、老化の最末期に必要であるという仮説が立てられている 。 さらに、プロテアーゼCyp15a（カテプシンF様ペプチダーゼに分類される）をアンチセンスでサイレンシングすると、Medicago truncatulaの老化の表現型が遅延することがわかった。 システインペプチダーゼ阻害剤であるイネシスタチンOC-Iを発現させたトランスジェニックタバコは、対照よりも成長が遅く、葉のタンパク質含量の変化、特に2種類のRubisco activaseアイソフォームの増加、および老化の遅延が見られた。 このように、Rubiscoは老化の過程でシステインペプチダーゼの主要な標的となり、Rubiscoを含む小胞の液胞分解を通じて相互作用するメカニズムであると考えられると著者らは述べている。 同様に、シロイヌナズナ、ダイズ、タバコの老化葉では、システインペプチダーゼが老化関連液胞に蓄積し、強いタンパク質分解活性を持つことが観察された。 これと並行して、ルビスコレベルが着実に減少していることから、これらのプロテアーゼが老化の過程でクロロフィル分解に関与していることが示された。 さらに、シロイヌナズナ表皮細胞のプロテアーゼ選別小胞体において、プロレグメインとともにパパイン様ペプチダーゼの前駆体が発見されたことから、両タイプのシステインプロテアーゼは、種子発芽時の貯蔵タンパク質の移動と同様にストレス応答に協同的に寄与していることが示された
C1A ペプチダーゼも植物の病原菌/害虫の相互作用において重要な役割を演じている … 植物がC1Aペプチダーゼを利用して、さまざまな害虫から身を守っていることは、いくつかの報告で示されている。 パパインはパパイヤラテックスの成分で、パパイヤの木を様々な鱗翅目害虫から守るのに関与している。 Mir1は、草食性カイコSpodoptera frugiperdaに応答して誘導されるトウモロコシのC1Aプロテアーゼである。 Mir1のタンパク質分解活性は、摂取した昆虫の周皮基質を損傷し、栄養利用を阻害する。 同様に、C1Aプロテアーゼは、植物病原菌に対する防御過程でも利用されている。 シロイヌナズナのカテプシンB遺伝子は過敏性反応に関与し、病原性細菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000に対する完全な基礎抵抗性に必要である。 真核生物であるCladosporium fulvumとPhytophthora infestansの2つの病原体が分泌するアポプラストエフェクターは、トマトの防御C1A CysペプチダーゼRcr3を標的にしている。 これらのエフェクターはシスタチン様システインプロテアーゼ阻害剤であり、C1A酵素とフィトシスタチンの相互作用が植物防御に重要な役割を果たすことを裏付けている
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