Biologische aspecten
Zymogeenactivatie vindt plaats door beperkte intra- of intermoleculaire proteolyse waarbij een remmend propeptide wordt afgesplitst . De propeptiden spelen een belangrijke rol als modulatoren van de protease-activiteit om te garanderen dat het rijpe enzym op de juiste plaats en/of op het juiste tijdstip wordt gevormd. Sommige C1A-peptidaseleden worden gesynthetiseerd met het C-terminale ER-retentiesignaal KDEL dat deze proteasen naar gespecialiseerde lytische blaasjes leidt. De KDEL-sequentie lijkt zowel als targeting-domein te fungeren als om een inactieve vorm te behouden. Bovendien bevatten de plantaardige granulines, die als een subklasse van de papaïnefamilie worden beschouwd en ook bij senescentie betrokken zijn, een C-terminale uitbreidingssequentie met een Pro-rijke regio en een granuline domein met een hoge homologie met dierlijke proteasen van de epitheline/granuline familie . Dit granuline-achtige domein kan ook een rol spelen bij de regulering van de oplosbaarheid van het protease en bij de activering ervan .
De activiteit van C1A-peptidasen is ook afhankelijk van de pH, hetgeen een aanwijzing is voor het compartiment waarin zij zich lokaliseren en van de aanwezigheid van endogene protease-regulatoren. Compartimentering binnen cellen biedt een verder niveau van regulering waarbij plantencellen verschillende soorten organellen bevatten, elk met een gespecialiseerde functie. De inactieve pro-enzymen worden gesynthetiseerd in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER). Vervolgens worden zij via het trans-Golgi-netwerk naar de vacuolen getransporteerd of extern gesecreteerd om het te degraderen doeleiwit te bereiken. Bovendien is massatransport van proforms van KDEL-staart C1A peptidasen naar eiwitopslag vacuolen door van het ER afgeleide blaasjes gerapporteerd bij de mobilisatie in dicotyledonen kiemende zaden . De relatief zure pH van vacuolen biedt de optimale omstandigheden voor proteaseverwerking, aangezien deze organellen niet alleen de plaats van enzymactiviteit zijn, maar ook van hun activering. Bovendien worden C1A-peptidasen gewoonlijk in het ene celtype opgeslagen of nieuw gesynthetiseerd om de afbraak van doeleiwitten in andere celtypes op gang te brengen. Zo zijn verschillende gerstcathepsine L-, H- en B-achtige proteasen aanwezig in het scutellaire epitheel en de aleuronlaag en worden zij bij het ontkiemen als reactie op GA naar het endosperm uitgescheiden.
Recente studies over C1A-peptidasen in planten hadden meestal betrekking op genenanalyses op basis van de sequentiebepaling van genomen van vele plantensoorten. Naast de aminozuursequentie-analyses en de identificatie van nieuwe proteaseleden, moet meer onderzoek op eiwitniveau worden verricht om de fysiologische rol van deze enzymen verder op te helderen. Er is gepubliceerd over de rol van individuele Cys-proteasen bij de eiwitafbraak tijdens senescentie en abscissieprocessen, geprogrammeerde celdood, rijping van vruchten, en accumulatie en mobilisatie van opslageiwitten in zaden en knollen. C1A proteasen spelen ook een essentiële rol in lokale en systemische verdedigingsreacties tegen pathogenen en plagen .
Wat het kiemproces betreft, fungeren zaden als opslagplaatsen van zetmeel, proteïnen en lipiden die tijdens het kiemen worden gebruikt totdat de fotosynthese volledig tot stand is gekomen. Hydrolyse van de reserves is een belangrijk punt dat voornamelijk wordt bereikt door amylasen en proteasen, ofwel opgeslagen tijdens de zaadrijping of nieuw gesynthetiseerd tijdens de vroege kieming. De afbraakproducten worden vervolgens geabsorbeerd en gebruikt voor de ontwikkeling van de zaailingen. C1A peptidasen worden beschreven als de meest voorkomende groep van proteasen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak en mobilisatie van opslagproteïnen in zaden van eenzaadlobbige en tweezaadlobbige soorten. Het meeste onderzoek naar de kieming van zaden is verricht bij granen, vooral bij gerst, waar de meeste geanalyseerde gebeurtenissen zich op het transcriptionele niveau hebben geconcentreerd. Een complex netwerk van genen die coderen voor meerdere transcriptiefactoren is beschreven als genen die betrokken zijn bij de controle van hydrolase-expressie aan het begin van de kieming. Bovendien lijkt de C1A protease activiteit op post-translationeel niveau te worden gereguleerd door legumains, Asn-specifieke cysteïne peptidasen die betrokken zijn bij de verwerking van polypeptiden en de afbraak van eiwitten . Zhang & Jones rapporteerde dat 27 cysteïne proteasen behoorden tot de 42 proteasen die betrokken zijn bij de kieming van gerstzaad. Onlangs toonde een volledige transcriptoomanalyse van de kieming van gerstkorrels in twee weefselfracties (zetmeelhoudend endosperm/aleuron en embryo/scutellum) de inductie aan van een groot aantal C1A-peptidasen tijdens de kieming, waarvan de meeste worden gemedieerd door gibberellinen. Bovendien zijn verschillende kathepsine L-achtige peptidasen van gerst, die verschillend tot expressie komen in zaadweefsels, betrokken bij de mobilisatie van hordeïnen, de voornaamste opslagproteïnen van gerst. Evenzo nemen orthologe genen die coderen voor C1A-proteasen uit tarwe deel aan de afbraak van eiwitten in bulk in het tarwe-endosperm tijdens het ontkiemen van het zaad en de daaropvolgende groei van de zaailing.
De mobilisatie van opgeslagen verbindingen in zaden van tweezaadlobbigen wordt ook hoofdzakelijk gemedieerd door C1A-peptidasen, hoewel hun ruimtelijke en temporele expressie- en activiteitspatronen aanzienlijk verschillen van die van eenzaadlobbigen. In zaden van peulvruchten en koolzaad zijn globulinen de meest overvloedige opslagproteïnen in de korrel en zij worden het eerst gemobiliseerd in de embryonale as tijdens het ontkiemen. Pas nadat de eiwitreserves in de as zijn uitgeput, wordt het grootste deel van de globulines gemobiliseerd in de zaadlobben na het ontkiemen. Andere cysteïne peptidasen, zoals de legumines lijken essentieel te zijn in de endoproteolytische splitsing van de opslagproteïnen in de embryonale as en de zaadlobben in verschillende peulvruchtenrassen. De rol van legumines is ook aangetoond in de gebeurtenissen van afzetting en mobilisatie van de 11S globulines van wikke en boekweit cotyledons tijdens zaadontkieming . Onlangs hebben Wang et al. aangetoond dat legumines ook essentiële enzymen zijn in de rijping van glutelines in rijst, die tot 80% van de totale endospermeiwitten in rijst uitmaken.
Senescentie is een strikt gecontroleerd proces gedurende de ontwikkeling van planten dat kan worden gemoduleerd door endogene en exogene factoren en stress . Het wordt gekenmerkt door de ontmanteling van de weefselorganisatie en een zeer efficiënte mobilisatie en verplaatsing van nutriënten van oude bladeren, bloemblaadjes en andere organen naar zinkweefsels (knollen, graanzaden, vruchten) om verdere groei en ontwikkeling te ondersteunen. Er is een aantal C1A-peptidasen beschreven die betrokken zijn bij senescentie in verschillende weefsels en soorten: bloemblaadjes van Dianthus caryophyllus L. en Alstroemeria , tarwe- en Arabidopsisbladeren , schilpitten van sinaasappel , onder andere. In verouderende weefsels van ricinus, daglelie en mungboon is het KDEL-gestreepte propeptidase de belangrijkste component in de matrix van een speciaal organel (ricinosoom of precursor protease blaasje) dat ontluikt uit het ER. Er is verondersteld dat de accumulatie van dit peptidase dat uit deze organellen vrijkomt, vereist is voor de laatste stadia van senescentie. Bovendien resulteerde anti-sense silencing van het protease Cyp15a (geclassificeerd als cathepsine F-achtig peptidase) in vertraagde senescentie fenotypes in Medicago truncatula. Transgene tabaksplanten die het rijstcystatine OC-I, een cysteïnepeptidaseremmer, tot expressie brengen, groeiden langzamer dan de controlegroep en vertoonden veranderingen in de eiwitinhoud van de bladeren met een verhoogde abundantie van onder meer twee Rubisco-activase-isovormen, samen met vertraagde veroudering. Volgens deze auteurs is Rubisco dus waarschijnlijk een belangrijk doelwit van cysteïnepeptidasen tijdens senescentie en mechanismen van interactie via de vacuolaire afbraak van Rubisco-bevattende blaasjes. Evenzo is accumulatie van cysteïnepeptidasen in senescentie-geassocieerde vacuolen, met een intensieve proteolytische activiteit, waargenomen in senescente Arabidopsis sojaboon- en tabaksbladeren. Tegelijkertijd werd een gestage daling van de Rubisco-niveaus vastgesteld, wat wijst op de rol van deze proteasen in de afbraak van chlorofyl tijdens senescentie. Bovendien wijzen de vondsten van precursors van papaïne-achtige peptidasen samen met pro-leguminen in proteasesorterende ER-lichaampjes van Arabidopsis epidermale cellen erop dat beide soorten cysteïne-proteasen samen bijdragen aan stressreacties, zoals ze dat ook doen voor de mobilisatie van opslag-eiwitten tijdens het ontkiemen van zaad.
C1A peptidasen spelen ook een cruciale rol in plant-pathogeen/pest interacties. Verschillende rapporten hebben aangetoond dat planten C1A-peptidasen gebruiken om zich tegen verschillende plagen te beschermen. Papaïne is een bestanddeel van papaja-latex dat betrokken is bij de verdediging van de papaja-boom tegen verschillende lepidoptera-rupsen. Mir1 is een C1A protease uit maïs die wordt geïnduceerd als reactie op de herbivore legerworm Spodoptera frugiperda . Eenmaal opgenomen, beschadigt de proteolytische activiteit van Mir1 de peritrofe matrix van het insect, waardoor het gebruik van voedingsstoffen wordt belemmerd. Evenzo worden C1A-proteasen gebruikt in verdedigingsprocessen tegen plantpathogenen. Cathepsine B-genen uit Arabidopsis zijn betrokken bij de overgevoeligheidsreactie en zijn vereist voor volledige basale resistentie tegen de virulente bacteriële pathogeen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Apoplastische effecten die worden uitgescheiden door twee niet-verwante eukaryotische plantenpathogenen, de schimmel Cladosporium fulvum en de oomycet Phytophthora infestans, zijn gericht tegen het verdedigings C1A Cys peptidase Rcr3 in tomaat. Deze effectoren zijn cystatine-achtige cysteïneproteaseremmers, wat de belangrijke rol ondersteunt die de interactie tussen C1A-enzymen en fytocystatines speelt in de plantenverdediging.