Aspecte biologice
Activarea chimogenului are loc prin proteoliză limitată intra- sau intermoleculară prin scindarea unei propeptide inhibitoare. Prozeptidele joacă roluri importante ca modulatori ai activității proteazei pentru a garanta că enzima matură este formată în locul și/sau la momentul potrivit . Unii membri ai peptidazei C1A sunt sintetizați cu semnalul C-terminal de reținere în ER KDEL care direcționează aceste proteaze către vezicule litice specializate. Secvența KDEL pare să acționeze atât ca un domeniu de direcționare, cât și pentru a menține o formă inactivă . În plus, granulele vegetale, care sunt considerate o subclasă a familiei papainelor și care sunt, de asemenea, implicate în senescență, includ o secvență de extensie C-terminală cu o regiune bogată în Pro și un domeniu de granulină cu o mare omologie cu proteazele animale din familia epitelinei/granuline . Acest domeniu asemănător cu granulina poate participa, de asemenea, la reglarea solubilității proteazei și la activarea acesteia .
Activitatea peptidazelor C1A depinde, de asemenea, de pH, ceea ce indică compartimentul în care se localizează și de prezența regulatorilor endogeni ai proteazei. Compartimentarea în cadrul celulelor oferă un nivel suplimentar de reglementare, prin care celulele vegetale conțin mai multe tipuri diferite de organite, fiecare cu o funcție specializată. Pro-enzimele inactive sunt sintetizate în lumenul reticulului endoplasmatic (ER). Apoi, prin intermediul rețelei trans-Golgi, ele sunt în cele din urmă transportate în vacuole sau secretate din exterior pentru a ajunge la proteina țintă care urmează să fie degradată . Mai mult, transportul în masă al proformelor de peptidaze C1A cu coadă KDEL către vacuolele de stocare a proteinelor prin vezicule derivate din ER a fost raportat în mobilizarea în semințele germinative ale dicotiledonatelor . pH-ul relativ acid al vacuolelor oferă condițiile optime pentru procesarea proteazelor, deoarece aceste organite nu sunt doar locul de acțiune a enzimelor, ci și de activare a acestora. În plus, peptidazele C1A sunt, de obicei, stocate sau sintetizate recent într-un tip de celule pentru a iniția degradarea proteinelor țintă în alte tipuri de celule. De exemplu, mai multe proteaze asemănătoare catepsinei L, H și B din orz sunt prezente în epiteliul scutelar și în stratul aleuronic și apoi secretate în endosperm la germinare, ca răspuns la GA .
Studiile recente privind peptidaza C1A din plante au vizat în principal analize de gene bazate pe secvențierea genomurilor multor specii de plante. Pe lângă analizele secvenței de aminoacizi și identificarea de noi membri ai proteazei, trebuie efectuate mai multe cercetări la nivel proteic pentru a elucida în continuare rolurile fiziologice ale acestor enzime. A fost publicată participarea proteazelor Cys individuale la degradarea proteinelor în timpul proceselor de senescență și abscesiune, moartea celulară programată, maturarea fructelor, precum și acumularea și mobilizarea proteinelor de depozitare în semințe și tuberculi . Proteazele C1A joacă, de asemenea, un rol esențial în răspunsurile de apărare locală și sistemică împotriva agenților patogeni și dăunătorilor .
În ceea ce privește procesul de germinare, semințele acționează ca depozite de amidon, proteine și lipide care sunt utilizate în timpul germinării până când fotosinteza este complet stabilită. Hidroliza rezervelor este un punct cheie care este realizată în principal de amilaze și proteaze, fie stocate în timpul maturării semințelor, fie nou sintetizate în timpul germinării timpurii. Produsele de degradare sunt apoi absorbite și utilizate pentru dezvoltarea răsadurilor. Peptidazele C1A sunt descrise ca fiind cel mai abundent grup de proteaze responsabile de degradarea și mobilizarea proteinelor de depozitare în semințele de monocotiledonate și dicotiledonate . Cele mai multe cercetări privind germinația semințelor au fost efectuate la cereale, în special la orz, unde majoritatea evenimentelor analizate s-au concentrat la nivel transcripțional. O rețea complexă de gene care codifică mai mulți factori transcripționali a fost descrisă ca fiind gene implicate în controlul expresiei hidrolazei la începutul germinației . În plus, activitatea proteazei C1A pare să fie reglată la nivel post-translațional de către legumaine, peptidaze de cisteină specifice Asn implicate în procesarea polipeptidelor și în descompunerea proteinelor . Zhang & Jones a raportat că 27 de proteaze cu cisteină au fost printre cele 42 de proteaze implicate în germinarea semințelor de orz. Recent, o analiză completă a transcriptomului germinației boabelor de orz în două fracțiuni tisulare (endosperm/aleurone amidonoase și embrion/scutellum) a arătat inducerea unui număr mare de gene ale peptidazelor C1A în timpul germinării, majoritatea fiind mediate de gibereline . Mai mult, mai multe peptidaze asemănătoare catepsinei L din orz, exprimate diferit în țesuturile semințelor, au fost implicate în mobilizarea hordeinelor, principalele proteine de depozitare din orz . În mod similar, genele ortologe care codifică proteaze C1A din grâu participă la degradarea proteinelor în masă din endospermul de grâu în timpul germinării semințelor și al creșterii ulterioare a răsadurilor.
Mobilizarea compușilor depozitați în semințele dicotiledonatelor este, de asemenea, mediată în principal de peptidaze C1A, deși modelele spațiale și temporale de expresie și activități ale acestora diferă considerabil de cele ale monocotiledonatelor. La semințele de leguminoase și de rapiță, globulinele sunt cele mai abundente proteine de stocare din bob și sunt mobilizate pentru prima dată în axa embrionară în timpul germinației. Numai după ce rezervele de proteine sunt epuizate în axă, cea mai mare parte a globulinelor se mobilizează în cotiledoane după germinare. Alte peptidaze de cisteină, cum ar fi legumainele, par a fi esențiale în scindarea endoproteolitică a mobilizării proteinelor de depozitare în axa embrionară și în cotiledoane la diferite specii de leguminoase . Rolul legumainelor a fost demonstrat, de asemenea, în evenimentele de depunere și mobilizare a globulinelor 11S din cotiledoanele de veac și hrișcă în timpul germinării semințelor . Recent, Wang și colab. au arătat că leguminele sunt, de asemenea, enzime esențiale în maturarea glutelinelor din orez, care constituie până la 80% din totalul proteinelor din endosperm la orez.
Senescența este un proces strict controlat pe parcursul dezvoltării plantelor, care poate fi modulat de factori endogeni și exogeni și de stres . Se caracterizează prin dezmembrarea organizării țesuturilor și o mobilizare și relocare foarte eficientă a nutrienților din frunzele bătrâne, petalele și alte organe către țesuturile de absorbție (tuberculi, semințe de cereale, fructe) pentru a susține creșterea și dezvoltarea ulterioară. Au fost descrise o serie de peptidaze C1A implicate în senescență în diferite țesuturi și specii: petale de Dianthus caryophyllus L. și Alstroemeria , frunze de grâu și Arabidopsis , coaja de portocală , printre altele. În țesuturile aflate în senescență de la ricin, crin de zi și fasole mung, propeptidaza cu coadă KDEL este componenta principală din matricea unui organit special (ricinosom sau vezicula proteazei precursoare) care se desprinde din ER. S-a emis ipoteza că acumularea acestei peptidaze eliberate din aceste organite este necesară pentru ultimele etape ale senescenței . În plus, reducerea la tăcere anti-sens a proteazei Cyp15a (clasificată ca peptidază asemănătoare catepsinei F) a dus la apariția unor fenotipuri de senescență întârziată la Medicago truncatula . Plantele transgenice de tutun care exprimă cistatina de orez OC-I, un inhibitor al cistein-peptidazei, au crescut mai încet decât martorii și au prezentat modificări ale conținutului de proteine din frunze, cu o abundență crescută, printre altele, a două izoforme de activază Rubisco, împreună cu o senescență întârziată . Astfel, potrivit acestor autori, Rubisco este probabil o țintă majoră a peptidazelor cu cisteină în timpul senescenței și mecanismele de interacțiune prin degradarea vacuolară a veziculelor care conțin Rubisco. De asemenea, acumularea de peptidaze de cisteină în vacuolele asociate senescenței, cu o activitate proteolitică intensă, a fost observată în frunzele senescente de soia Arabidopsis și de tutun. În paralel, s-a determinat o scădere constantă a nivelurilor de Rubisco, ceea ce indică rolul acestor proteaze în degradarea clorofilei în timpul senescenței . În plus, descoperirea precursorilor peptidazelor de tip papaină împreună cu pro-legumaine în corpurile ER de sortare a proteazelor din celulele epidermice de Arabidopsis indică faptul că ambele tipuri de proteaze cu cisteină contribuie în mod cooperativ la răspunsurile la stres, așa cum o fac pentru mobilizarea proteinelor de stocare în timpul germinării semințelor .
Peptidazele C1A joacă, de asemenea, roluri cruciale în interacțiunile dintre agenții patogeni și dăunători ai plantelor . Mai multe rapoarte au arătat că plantele folosesc peptidazele C1A pentru a se proteja împotriva diferiților dăunători. Papaina este o componentă a latexului de papaya implicată în apărarea arborelui de papaya împotriva diferitelor omizi de lepidoptere . Mir1 este o protează C1A din porumb indusă ca răspuns la viermele erbivor Spodoptera frugiperda . Odată ingerată, activitatea proteolitică a Mir1 deteriorează matricea peritrofică a insectei, împiedicând utilizarea nutrienților . De asemenea, proteazele C1A sunt utilizate în procesele de apărare împotriva agenților patogeni ai plantelor. Genele catepsinei B din Arabidopsis sunt implicate în răspunsul hipersensibil și sunt necesare pentru o rezistență bazală completă împotriva agentului patogen bacterian virulent Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Efectorii apoplazici secretați de doi agenți patogeni eucarioți ai plantelor care nu au legătură între ei, ciuperca Cladosporium fulvum și oomicetele Phytophthora infestans, vizează peptidaza de apărare C1A Cys Rcr3 a tomatelor. Acești efectori sunt inhibitori ai cistein proteazei cisteinice de tip cistatină, ceea ce susține rolul important pe care îl joacă interacțiunea dintre enzimele C1A și fitocistatinele în apărarea plantelor.
.