Biological Aspects
Ativação de zymogens ocorre por proteólise intra ou intermolecular limitada, clivando um propéptido inibitório . As prosaquências desempenham papéis importantes como moduladores da atividade da protease para garantir que a enzima madura seja formada no lugar e/ou no momento certo . Alguns membros da peptidase C1A são sintetizados com o sinal C-terminal ER-retenção KDEL que visa estas proteases a vesículas líticas especializadas. A seqüência KDEL parece agir tanto como um domínio de alvo como para manter uma forma inativa . Além disso, as granulinas vegetais, que são consideradas como uma subclasse da família das papaína e também estão envolvidas na senescência, incluem uma sequência de extensão terminal C com uma região pró-rica e um domínio de granulina com uma alta homologia às proteases animais da família das epitelinas/granulinas . Este domínio granulínico também pode participar na regulação da solubilidade da protease e na sua ativação .
A atividade das peptidases C1A também depende do pH, indicativo do compartimento onde se localizam e da presença de reguladores endógenos de protease. A compartimentação dentro das células proporciona um nível adicional de regulação em que as células vegetais contêm vários tipos diferentes de organelas, cada uma com uma função especializada. Os pró-enzimas inativos são sintetizados no lúmen do retículo endoplasmático (ER). Depois, através da rede trans-Golgi são finalmente transportadas para os vacúolos ou secretadas externamente para atingir a proteína alvo a ser degradada. Além disso, o transporte em massa de proformas de peptídeos C1A de cauda KDEL para vacúolos de armazenamento de proteínas através de vesículas derivadas de ER foi relatado na mobilização em sementes germinativas dicotiledôneas. O pH relativamente ácido dos vacúolos proporciona as condições ideais para o processamento da protease, uma vez que estas organelas não são apenas o local de acção enzimática, mas também da sua activação. Além disso, as peptídeas C1A são geralmente armazenadas ou sintetizadas recentemente em um tipo celular para iniciar a degradação das proteínas alvo em outros tipos celulares. Como exemplo, várias proteases tipo L, H e B de cevada estão presentes no epitélio agudo e na camada de aleurona e então secretadas para o endosperma após a germinação em resposta à GA .
Estudos recentes sobre a peptidase C1A de plantas têm se preocupado principalmente com análises de genes baseadas no sequenciamento de genomas de muitas espécies de plantas. Além das análises da sequência de aminoácidos e da identificação de novos membros da protease, mais pesquisa a nível proteico tem que ser feita para elucidar ainda mais os papéis fisiológicos destas enzimas. A participação de Cys proteases individuais na degradação proteica durante os processos de senescência e abcisão, a morte celular programada, o amadurecimento dos frutos e o acúmulo e mobilização de proteínas de armazenamento em sementes e tubérculos tem sido publicada. As proteases C1A também desempenham um papel essencial nas respostas de defesa local e sistêmica contra patógenos e pragas .
Regregando o processo de germinação, as sementes atuam como armazéns de amido, proteínas e lipídios que são utilizados durante a germinação até que a fotossíntese esteja totalmente estabelecida. A hidrólise de reservas é um ponto chave que é realizada principalmente por amilases e proteases, armazenadas durante a maturação das sementes ou recém-sintetizadas durante a germinação precoce. Os produtos de degradação são então absorvidos e utilizados para o desenvolvimento das plântulas. As peptidases C1A são descritas como o grupo mais abundante de proteases responsáveis pela degradação e mobilização das proteínas de armazenamento em sementes de monocotiledôneas e dicotiledôneas. A maioria das pesquisas de germinação de sementes tem sido feita em cereais, particularmente em cevada, onde a maioria dos eventos analisados tem sido focalizada a nível transcripcional. Uma complexa rede de genes que codificam múltiplos fatores transcripcionais tem sido descrita como genes envolvidos no controle da expressão da hidrolase no início da germinação . Além disso, a atividade protease C1A parece ser regulada a nível pós-tradicional por legumaínas, peptídeos de cisteína específicos de Asn envolvidos no processamento de polipeptídeos e degradação proteica . Zhang & Jones relatou que 27 proteases de cisteína estavam entre as 42 proteases envolvidas na germinação da semente de cevada. Recentemente, uma análise completa da transcriptoma da germinação de grãos de cevada em duas frações de tecido (endosperma/aleurona amilácea e embrião/scutellum) mostrou a indução de um alto número de genes da peptidase C1A durante a germinação, sendo a maioria deles mediada por gibberelinas . Além disso, várias peptidases tipo cathepsina L da cevada, expressas de forma diferente nos tecidos das sementes, foram implicadas na mobilização de hordeínas, as principais proteínas de armazenamento da cevada . Similarmente, genes ortológicos codificando proteases C1A do trigo participam da degradação proteica do endosperma de trigo a granel durante a germinação da semente e subsequente crescimento das plântulas .
Mobilização de compostos armazenados em sementes dicotiledôneas também é mediada principalmente por peptídeas C1A, embora seus padrões espaciais e temporais de expressão e atividades difiram consideravelmente das monocotiledôneas. Nas sementes de leguminosas e colza, as globulinas são as proteínas de armazenamento mais abundantes no grão e são primeiro mobilizadas no eixo embrionário durante a germinação. Só depois de esgotadas as reservas proteicas no eixo é que a maior parte das globulinas se mobiliza nos cotilédones após a germinação. Outras peptidases cisteína, como as legumaínas parecem ser essenciais na clivagem endoproteolítica da mobilização da proteína de armazenamento no eixo embrionário e cotilédones em diferentes espécies de leguminosas . O papel dos legumains também tem sido demonstrado nos eventos de deposição e mobilização das globulinas 11S da ervilhaca e dos cotilédones de trigo sarraceno durante a germinação da semente . Recentemente, Wang et al. mostraram que as legumainas também são enzimas essenciais na maturação das glutelinas do arroz, que constituem até 80% das proteínas endosperma totais do arroz.
Senescência é um processo estritamente controlado ao longo do desenvolvimento da planta, que pode ser modulado por fatores endógenos e exógenos e tensões . Caracteriza-se pelo desmantelamento da organização dos tecidos e por uma mobilização e realocação de nutrientes de folhas velhas, pétalas e outros órgãos para afundar tecidos (tubérculos, sementes de cereais, frutos) para sustentar o crescimento e desenvolvimento futuro. Foram descritas várias peptidases C1A envolvidas na senescência em diferentes tecidos e espécies: pétalas de Dianthus caryophyllus L. e Alstroemeria, folhas de trigo e Arabidopsis, casca de laranja, entre outras. Nos tecidos senescentes da mamona, do diurno e do feijão mungo, a propeptidase de cauda KDEL é o componente principal na matriz de uma organela especial (vesícula de ricinosoma ou protease precursora) que brota das ER. Foi feita a hipótese de que a acumulação desta peptidase libertada por estas organelas é necessária para os últimos estágios de senescência. Além disso, o silenciamento anti-senso da protease Cyp15a (classificada como peptidase tipo F da catepsina) resultou em fenótipos de senescência retardada na truncatula de Medicago . As plantas transgênicas do tabaco expressando a cistatina do arroz OC-I, um inibidor da cisteína peptidase, cresceram mais lentamente que os controles e mostraram alterações no conteúdo de proteínas foliares com um aumento da abundância, entre outras, de duas isoformas de Rubisco activase, juntamente com a senescência retardada . Assim, segundo esses autores, o Rubisco é provavelmente um importante alvo das peptídeas de cisteína durante a senescência e dos mecanismos de interação através da degradação vacuolar das vesículas contendo Rubisco. Da mesma forma, o acúmulo de peptídeas cisteína nos vacúolos associados à senescência, com intensa atividade proteolítica, tem sido observado nas folhas de soja arábica senescente e nas folhas de tabaco. Em paralelo, foi determinada uma diminuição constante dos níveis de Rubisco, indicando o papel destas proteases na degradação da clorofila durante a senescência. Além disso, achados de precursores de peptídeos semelhantes à papaína juntamente com pró-legumainas em corpos de ER proteases de células epidérmicas de Arabidopsis indicam que ambos os tipos de proteases cisteína contribuem cooperativamente para respostas ao estresse, assim como contribuem para a mobilização de proteína de armazenamento durante a germinação da semente .
C1A peptídeos também desempenham papéis cruciais nas interações patógeno/pragas das plantas. Vários relatórios têm mostrado que as plantas usam peptidases C1A para se protegerem contra diferentes pragas. A papaína é um componente do látex da papaieira envolvido na defesa da papaieira contra diferentes lagartas lepidópteros . Mir1 é uma protease C1A do milho induzida em resposta à ténia herbívora Spodoptera frugiperda do exército. Uma vez ingerida, a atividade proteolítica da Mir1 danifica a matriz peritrófica do inseto, prejudicando a utilização de nutrientes . Da mesma forma, as proteases C1A são utilizadas em processos defensivos contra patógenos vegetais. Os genes da catepsina B da Arabidopsis estão envolvidos na resposta hipersensível e são necessários para uma resistência basal completa contra o patógeno bacteriano virulento Pseudomonas syringae pv. tomate DC3000 . Os efectores apoplásticos secretados por dois patógenos vegetais eucarióticos não relacionados, o fungo Cladosporium fulvum e o oomycete Phytophthora infestans, têm como alvo a defesa do tomate C1A Cys peptidase Rcr3 . Estes efectores são inibidores da cisteína protease do tipo cistatina, que suportam o importante papel que a interacção entre as enzimas C1A e as fitoestatinas desempenha na defesa das plantas.