Biological Aspects
Aktywacja enzymu odbywa się poprzez ograniczoną wewnątrz- lub międzycząsteczkową proteolizę odszczepiającą hamujący propeptyd. Prosequencje odgrywają ważną rolę jako modulatory aktywności proteazy, aby zagwarantować, że dojrzały enzym jest tworzony we właściwym miejscu i/lub we właściwym czasie. Niektóre peptydazy C1A syntetyzowane są z C-końcowym sygnałem retencji ER – KDEL, który kieruje te proteazy do wyspecjalizowanych pęcherzyków litycznych. Sekwencja KDEL wydaje się działać zarówno jako domena ukierunkowująca, jak i utrzymująca formę nieaktywną. Dodatkowo, granuliny roślinne, które są uważane za podklasę rodziny papain i są również zaangażowane w senescencję, zawierają C-końcową sekwencję przedłużającą z regionem bogatym w Pro oraz domenę granulinową o wysokiej homologii do proteaz zwierzęcych z rodziny epitelin/granulin. Ta domena granulinopodobna może również uczestniczyć w regulacji rozpuszczalności proteazy i w jej aktywacji .
Aktywność peptydaz C1A zależy również od pH, co wskazuje na przedział, w którym się lokalizują i na obecność endogennych regulatorów proteazy. Kompartmentalizacja wewnątrz komórek zapewnia kolejny poziom regulacji, przy czym komórki roślinne zawierają kilka różnych typów organelli, z których każda pełni wyspecjalizowaną funkcję. Nieaktywne pro-enzymy syntetyzowane są w świetle retikulum endoplazmatycznego (ER). Następnie poprzez sieć trans-Golgiego są transportowane do wakuoli lub wydzielane na zewnątrz, aby dotrzeć do docelowego białka, które ma ulec degradacji. Ponadto, masowy transport proform peptydaz KDEL-tailed C1A do wakuoli magazynujących białka przez pęcherzyki wywodzące się z ER został opisany w mobilizacji w kiełkujących nasionach dwuliściennych. Stosunkowo kwa¶ne pH wakuoli stwarza optymalne warunki do przetwarzania proteaz, gdyż organelle te s± nie tylko miejscem działania enzymów, ale także ich aktywacji. Ponadto peptydazy C1A są zwykle magazynowane lub nowo syntetyzowane w jednym typie komórek, aby zainicjować degradację białek docelowych w innych typach komórek. Na przykład, kilka katepsyn L-, H- i B-podobnych proteaz jęczmienia jest obecnych w nabłonku skutellarnym i warstwie aleuronowej, a następnie wydzielanych do bielma po kiełkowaniu w odpowiedzi na GA .
Ostatnie badania nad roślinnymi peptydazami C1A dotyczyły głównie analiz genów opartych na sekwencjonowaniu genomów wielu gatunków roślin. Poza analizami sekwencji aminokwasów i identyfikacją nowych proteaz, konieczne są dalsze badania na poziomie białek, aby jeszcze bardziej wyjaśnić fizjologiczne role tych enzymów. Opublikowano informacje o udziale poszczególnych proteaz Cys w degradacji białek podczas procesów senescencji i abscission, programowanej śmierci komórki, dojrzewania owoców oraz akumulacji i mobilizacji białek magazynowych w nasionach i bulwach. Proteazy C1A odgrywają również istotną rolę w lokalnych i systemowych reakcjach obronnych przeciwko patogenom i szkodnikom .
Odnosząc się do procesu kiełkowania, nasiona działają jako magazyny skrobi, białek i lipidów, które są wykorzystywane podczas kiełkowania do czasu pełnego ustanowienia fotosyntezy. Hydroliza rezerw jest kluczowym punktem, który jest realizowany głównie przez amylazy i proteazy, albo przechowywane podczas dojrzewania nasion, albo nowo syntetyzowane podczas wczesnego kiełkowania. Produkty degradacji są następnie wchłaniane i wykorzystywane do rozwoju siewek. Peptydazy C1A są określane jako najliczniejsza grupa proteaz odpowiedzialnych za degradację i mobilizację białek magazynowych w nasionach gatunków jedno- i dwuliściennych. Większość badań nad kiełkowaniem nasion przeprowadzono w zbożach, szczególnie w jęczmieniu, gdzie większość analizowanych zdarzeń koncentrowała się na poziomie transkrypcyjnym. Złożona sieć genów koduj±cych wiele czynników transkrypcyjnych została opisana jako geny zaangażowane w kontrolę ekspresji hydrolaz na pocz±tku kiełkowania. Dodatkowo, aktywność proteazy C1A wydaje się być regulowana na poziomie potranslacyjnym przez leguminy, specyficzne dla Asn peptydazy cysteinowe zaangażowane w przetwarzanie polipeptydów i rozkład białek. Zhang & Jones doniósł, że 27 proteaz cysteinowych było wśród 42 proteaz zaangażowanych w kiełkowanie nasion jęczmienia. Ostatnio, pełna analiza transkryptomu kiełkowania ziarna jęczmienia w dwóch frakcjach tkankowych (bielmo skrobiowe/aleuron i zarodek/skorupka) wykazała indukcję dużej liczby genów peptydaz C1A podczas kiełkowania, z których większość jest mediowana przez gibereliny. Ponadto, kilka katepsyno-podobnych peptydaz jęczmienia, ulegających różnej ekspresji w tkankach nasiennych, zostało zaangażowanych w mobilizację hordein, głównych białek spichrzowych jęczmienia. Podobnie, ortologiczne geny kodujące proteazy C1A z pszenicy biorą udział w degradacji białek masowych bielma pszenicy podczas kiełkowania nasion i późniejszego wzrostu siewek .
Mobilizacja zmagazynowanych związków w nasionach roślin dwuliściennych jest również głównie pośredniczona przez peptydazy C1A, chociaż ich przestrzenne i czasowe wzorce ekspresji i aktywności różnią się znacznie od monokotów. W nasionach roślin strączkowych i rzepaku globuliny są najobficiej występującymi białkami spichrzowymi w ziarnie i są mobilizowane najpierw w osi zarodka podczas kiełkowania. Dopiero po wyczerpaniu rezerw białkowych w osi większość globulin ulega mobilizacji w liścieniach po kiełkowaniu. Inne peptydazy cysteinowe, takie jak leguminy, wydają się być istotne w endoproteolitycznym rozszczepianiu mobilizacji białek magazynowych w osi zarodka i liścieniach u różnych gatunków roślin strączkowych. Rola legumain została również wykazana w procesach odkładania i mobilizacji globulin 11S w liścieniach wyki i gryki podczas kiełkowania nasion. Ostatnio Wang i wsp. wykazali, że leguminy są również niezbędnymi enzymami w dojrzewaniu glutelin ryżu, które stanowią do 80% wszystkich białek bielma ryżu.
Senescencja jest ściśle kontrolowanym procesem w całym rozwoju roślin, który może być modulowany przez endogenne i egzogenne czynniki i stresy. Charakteryzuje się on rozpadem organizacji tkanki oraz wysokowydajną mobilizacją i relokacją składników odżywczych ze starych liści, płatków i innych organów do tkanek zlewnych (bulwy, nasiona zbóż, owoce) w celu podtrzymania dalszego wzrostu i rozwoju. Opisano szereg peptydaz C1A zaangażowanych w proces starzenia w różnych tkankach i gatunkach, m.in. w płatkach Dianthus caryophyllus L. i Alstroemeria, liściach pszenicy i Arabidopsis, skórce pomarańczy. W starzejących się tkankach rącznika pospolitego, lilii i fasoli mung, propeptydaza z ogonkiem KDEL jest głównym składnikiem macierzy specjalnej organelli (ricinosomu lub pęcherzyka proteazy prekursorowej), która powstaje z ER. Postawiono hipotezę, że akumulacja tej peptydazy uwalnianej z tych organelli jest wymagana dla ostatnich etapów senescencji. Dodatkowo, antysensowne wyciszanie proteazy Cyp15a (sklasyfikowanej jako peptydaza podobna do katepsyny F) spowodowało opóźnienie fenotypu starości u Medicago truncatula. Transgeniczne rośliny tytoniu z ekspresją ryżowej cystatyny OC-I, inhibitora peptydaz cysteinowych, rosły wolniej niż kontrolne i wykazywały zmiany w zawartości białek w liściach ze zwiększoną liczebnością m.in. dwóch izoform aktywatora Rubisco, wraz z opóźnionym starzeniem się. Tak więc, według tych autorów, Rubisco jest prawdopodobnie głównym celem peptydaz cysteinowych podczas starzenia się, a mechanizm oddziaływania polega na wakuolarnej degradacji pęcherzyków zawierających Rubisco. Podobnie, akumulacja peptydaz cysteinowych w wakuolach związanych z procesem starzenia, o intensywnej aktywności proteolitycznej, została zaobserwowana w starzejących się liściach soi Arabidopsis i tytoniu. Równolegle stwierdzono stały spadek poziomu Rubisco, co wskazuje na rolę tych proteaz w degradacji chlorofilu podczas starzenia. Dodatkowo, znalezienie prekursorów peptydaz papainopodobnych wraz z pro-legumainami w ciałach ER sortujących proteazy w komórkach epidermy Arabidopsis wskazuje, że oba typy proteaz cysteinowych przyczyniają się wspólnie do reakcji na stres, podobnie jak do mobilizacji białek magazynowych podczas kiełkowania nasion. Peptydazy C1A odgrywają również kluczową rolę w interakcjach patogenów roślinnych. Kilka raportów wykazało, że rośliny używają peptydaz C1A do ochrony przed różnymi szkodnikami. Papaina jest składnikiem lateksu papai zaangażowanym w obronę drzewa papai przed różnymi gąsienicami lepidoptera. Mir1 jest proteazą C1A z kukurydzy indukowaną w odpowiedzi na roślinożernego mączlika Spodoptera frugiperda . Po spożyciu, aktywność proteolityczna Mir1 uszkadza macierz peritroficzną owada, upośledzając wykorzystanie składników odżywczych. Podobnie proteazy C1A są wykorzystywane w procesach obronnych przeciwko patogenom roślinnym. Geny katepsyny B z Arabidopsis biorą udział w odpowiedzi nadwrażliwości i są wymagane do pełnej odporności podstawowej na wirulentny patogen bakteryjny Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Apoplastyczne efektory wydzielane przez dwa niespokrewnione patogeny roślin eukariotycznych, grzyb Cladosporium fulvum i oomycete Phytophthora infestans, celują w obronną peptydazę C1A Cys pomidora Rcr3 . Efektory te są cystatynopodobnymi inhibitorami proteaz cysteinowych, co potwierdza ważną rolę, jaką w obronie roślin odgrywa interakcja pomiędzy enzymami C1A i fitocystatynami.