Biologiska aspekter
Zymogenaktivering sker genom begränsad intra- eller intermolekylär proteolys som klyver en hämmande propeptid. Propeptiderna spelar viktiga roller som modulatorer av proteasaktiviteten för att garantera att det mogna enzymet bildas på rätt plats och/eller vid rätt tidpunkt . Vissa C1A-peptidasmedlemmar syntetiseras med den C-terminala ER-retentionssignalen KDEL som riktar dessa proteaser till specialiserade lytiska vesiklar. KDEL-sekvensen tycks fungera både som en målinriktningsdomän och för att behålla en inaktiv form . Växtgranulinerna, som betraktas som en underklass av papainfamiljen och som också är involverade i senescens, innehåller dessutom en C-terminal förlängningssekvens med en Pro-rik region och en granulindomän med hög homologi till djurproteaser i epitelin/granulin-familjen . Denna granulinliknande domän kan också delta i regleringen av proteasets löslighet och i dess aktivering.
Aktiviteten hos C1A-peptidaser beror också på pH, vilket är en indikation på det kompartment där de lokaliseras och på närvaron av endogena proteasreglerare. Kompartmentalisering inom celler ger ytterligare en nivå av reglering där växtceller innehåller flera olika typer av organeller som var och en har en specialiserad funktion. De inaktiva proenzymerna syntetiseras i lumen av det endoplasmatiska retikulumet (ER). Via trans-Golgi-nätverket transporteras de slutligen till vakuolerna eller utsöndras externt för att nå det målprotein som skall brytas ned. Dessutom har masstransport av proformer av KDEL-tailed C1A-peptidaser till proteinlagringsvakuoler genom ER-deriverade vesiklar rapporterats vid mobiliseringen i dicotyledoniska groddande frön . Vakuolernas relativt sura pH ger optimala förhållanden för proteasbehandling, eftersom dessa organeller inte bara är platsen för enzymernas verkan utan också för deras aktivering. Dessutom lagras eller syntetiseras C1A-peptidaser vanligtvis i en celltyp för att inleda nedbrytning av målproteiner i andra celltyper. Som exempel kan nämnas att flera kathepsin L-, H- och B-liknande proteaser från korn finns i det scutellära epitelet och aleuronskiktet och sedan utsöndras till endospermen vid groning som svar på GA .
Nyligen genomförda studier om C1A-peptidas i växter har främst gällt analyser av gener baserade på sekvensering av genomer från många växtarter. Förutom aminosyrasekvensanalyser och identifiering av nya proteasmedlemmar måste mer forskning på proteinnivå göras för att ytterligare belysa de fysiologiska rollerna hos dessa enzymer. Man har publicerat enskilda Cys-proteasers deltagande i proteinnedbrytning under senescens- och abscissionsprocesser, programmerad celldöd, fruktmognad samt ackumulering och mobilisering av lagringsproteiner i frön och knölar . C1A-proteaser spelar också en viktig roll i lokala och systemiska försvarsreaktioner mot patogener och skadedjur .
När det gäller groddningsprocessen fungerar frön som lager av stärkelse, proteiner och lipider som används under groddningen tills fotosyntesen är fullt etablerad. Hydrolys av reserverna är en nyckelpunkt som huvudsakligen utförs av amylaser och proteaser, antingen lagrade under fröets mognad eller nysyntetiserade under tidig groning. Nedbrytningsprodukterna absorberas sedan och utnyttjas för fröplantans utveckling. C1A-peptidaser beskrivs som den vanligaste gruppen proteaser som ansvarar för nedbrytning och mobilisering av lagringsproteiner i frön av monokotyla och dikotyla arter . Den mesta forskningen om fröspridning har gjorts på spannmål, särskilt på korn, där majoriteten av de analyserade händelserna har fokuserats på transkriptionsnivå. Ett komplext nätverk av gener som kodar för flera transkriptionsfaktorer har beskrivits som gener som är involverade i kontrollen av hydrolasuttrycket i början av groningen . Dessutom verkar C1A-proteasaktiviteten regleras på posttranslationell nivå av legumainer, Asn-specifika cysteinpeptidaser som är involverade i polypeptidbearbetning och proteinnedbrytning . Zhang & Jones rapporterade att 27 cysteinproteaser fanns bland de 42 proteaser som är involverade i groningen av kornfrö. Nyligen visade en fullständig transkriptomanalys av kornkorns groning i två vävnadsfraktioner (stärkelserikt endosperm/aleuron och embryo/scutellum) att ett stort antal C1A-peptidasgener inducerades under groningen, varav de flesta medierades av gibberelliner . Dessutom har flera kathepsin L-liknande peptidaser från korn, som uttrycks på olika sätt i frövävnader, involverats i mobiliseringen av hordeiner, de viktigaste lagringsproteinerna från korn . På samma sätt deltar ortologa gener som kodar för C1A-proteaser från vete i nedbrytningen av proteiner i veteendosperm under fröspridning och efterföljande tillväxt av fröplantor .
Mobiliseringen av lagrade föreningar i tvåkönade frön förmedlas också huvudsakligen av C1A-peptidaser, även om deras rumsliga och tidsmässiga uttrycksmönster och aktiviteter skiljer sig avsevärt från monokotyler. I frön av baljväxter och raps är globuliner de vanligaste lagringsproteinerna i kornet och mobiliseras först i den embryonala axeln under groningen. Det är först när proteinreserverna är uttömda i axeln som huvuddelen av globulinerna mobiliseras i kotyledonen efter groningen. Andra cysteinpeptidaser, t.ex. legumains, verkar vara viktiga för den endoproteolytiska klyvningen av lagringsproteinets mobilisering i den embryonala axeln och kotyledonen i olika arter av baljväxter . Legumains roll har också visats i händelserna med deponering och mobilisering av 11S-globuliner i kotyledoner av vicker och bovete under fröspridning . Nyligen har Wang et al. visat att legumainer också är viktiga enzymer i mognaden av risgluteliner, som utgör upp till 80 % av de totala endospermproteinerna i ris.
Senescens är en strikt kontrollerad process under hela växtutvecklingen som kan moduleras av endogena och exogena faktorer och påfrestningar . Den kännetecknas av en nedmontering av vävnadernas organisation och en mycket effektiv mobilisering och förflyttning av näringsämnen från gamla blad, kronblad och andra organ till sänkevävnader (knölar, spannmålsfrön, frukter) för att upprätthålla ytterligare tillväxt och utveckling. Ett antal C1A-peptidaser som är involverade i senescens i olika vävnader och arter har beskrivits: kronblad av Dianthus caryophyllus L. och Alstroemeria , blad av vete och Arabidopsis , skal av apelsin, bland andra. I senescerande vävnader från ricinbönor, dagliljor och mungbönor är KDEL-propeptidaset den viktigaste komponenten i matrisen i en särskild organell (ricinosom eller prekursorproteasvesikel) som knoppar av från ER. Man har antagit att ackumulationen av detta peptidas som frigörs från dessa organeller är nödvändig för de senaste stadierna av senescens . Dessutom resulterade anti-sense silencing av proteaset Cyp15a (klassificerat som kathepsin F-liknande peptidas) i fördröjd senescens i Medicago truncatula . Transgena tobaksplantor som uttrycker riscystatin OC-I, en cysteinpeptidashämmare, växte långsammare än kontrollerna och uppvisade förändringar i bladproteininnehållet med en ökad förekomst av bl.a. två Rubisco-aktivas-isoformer, tillsammans med fördröjd senescens . Enligt dessa författare är Rubisco således sannolikt ett viktigt mål för cysteinpeptidaser under senescens och interaktionsmekanismer genom vakuolär nedbrytning av vesiklar som innehåller Rubisco. På samma sätt har ackumulering av cysteinpeptidaser i vakuoler som är associerade med senescens, med en intensiv proteolytisk aktivitet, observerats i senescenta blad av Arabidopsis, sojabönor och tobak. Parallellt med detta konstaterades en stadig minskning av Rubisco-nivåerna, vilket tyder på att dessa proteaser spelar en roll i nedbrytningen av klorofyll under senescens. Dessutom tyder fynd av prekursorer av papainliknande peptidaser tillsammans med pro-legumainer i proteassorterande ER-kroppar i Arabidopsis epidermalceller på att båda typerna av cysteinproteaser bidrar till stressreaktioner på samma sätt som till mobiliseringen av lagringsproteiner under fröspridning.
C1A-peptidaser spelar också en avgörande roll i växters växtsjukdomar och växtsjukdomsalstrande samspel. Flera rapporter har visat att växter använder C1A-peptidaser för att skydda sig mot olika skadedjur. Papain är en komponent i papayalatex som är involverad i papayaträdets försvar mot olika fjärilslarver . Mir1 är ett C1A-proteas från majs som induceras som svar på den växtätande armémasken Spodoptera frugiperda . När Mir1 väl har fått i sig skadar den proteolytiska aktiviteten hos Mir1 insektens peritrofa matris, vilket försämrar utnyttjandet av näringsämnen. C1A-proteaser används också i försvarsprocesser mot växtpatogener. Cathepsin B-gener från Arabidopsis är involverade i den överkänsliga reaktionen och krävs för full basal resistens mot den virulenta bakteriella patogenen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Apoplastiska effektorer som utsöndras av två obesläktade eukaryotiska växtpatogener, svampen Cladosporium fulvum och oomyceten Phytophthora infestans, är riktade mot tomatens försvars C1A Cys-peptidas Rcr3 . Dessa effektorer är cystatinliknande cysteinproteashämmare, vilket stöder den viktiga roll som interaktionen mellan C1A-enzymer och fytocystatiner spelar i växtförsvaret.