Studie bekrefter rollen til DJ-1-genet i Parkinsons sykdom

Et mutantgen kalt DJ-1 forårsaker en recessiv form av Parkinsons sykdom, men den molekylære mekanismen er fortsatt dårlig forstått. For å forstå hvordan DJ-1 hydrolyserer syklisk 3-fosfoglyseranhydrid, en svært reaktiv, giftig cellulær metabolitt, utførte forskere i Japan molekylære simuleringer og biokjemiske analyser, inkludert mutasjonsanalyse, noe som bekreftet en rolle for DJ-1 i patogenesen av arvelig Parkinsons sykdom.

Ved å avsløre aminosyrene som er involvert i den katalytiske aktiviteten, legger dette arbeidet grunnlaget for fremtidige funksjonelle studier av DJ-1. Studien er publisert i Journal of Cell Biology.

DJ-1/PARK7-genet, assosiert med en recessiv familiær form av Parkinsons sykdom, koder for DJ-1-proteinet, som har potensiell antioksidantaktivitet og beskytter celler mot mitokondriell skade. Det har blitt tilskrevet et bredt spekter av biokjemiske funksjoner – fra et redoksregulert chaperon og transkripsjonsregulator til glyoksylase, cysteinprotease og syklisk 3-fosfoglyseranhydrid (cPGA) hydrolase – men dets eksakte funksjon er fortsatt uklar.

Flere fakta om DJ-1 indikerer imidlertid at dens primære rolle kan være i hydrolysen av cPGA. Denne enzymatiske funksjonen er i samsvar med den molekylære strukturen til DJ-1, og tidligere rapportert esteraktivitet kan gjenspeile dens rolle i cPGA-hydrolyse. Instabiliteten til cPGA gjør dette substratet vanskelig å bruke eksperimentelt, noe som har begrenset vår forståelse av DJ-1s rolle i å omdanne dette reaktive biproduktet av glykolyse til avgiftet 3-fosfoglyserat (3PG).

For å løse dette mysteriet kombinerte et team av forskere ledet av professor Noriyuki Matsuda og førsteamanuensis Yoshitaka Moriwaki fra Institute for Integrated Studies, Science Tokyo, molekylære simuleringer med biokjemiske analyser og avslørte den katalytiske mekanismen for cPGA-hydrolyse av proteinet DJ-1.

«Mutasjonsanalyse med sikte på å identifisere aminosyrerester som er kritiske for cPGA-hydrolaseaktivitet har så langt vært begrenset til rest C106, og ingen strukturell modell av cPGA-DJ-1-komplekset eller hydrolysemekanismen har blitt foreslått», forklarer Matsuda, og beskriver motivasjonen for studien sin.

For å demonstrere den molekylære mekanismen bak cPGA-hydrolyse, studerte teamet strukturen til DJ-1-komplekset med cPGA. Molekyldynamiske simuleringer av dette komplekset avslørte de viktigste aminosyrene som danner DJ-1-"bindingsstedet" og er ansvarlige for cPGA-gjenkjenning og -binding.

Deretter muterte de disse aminosyrerestene for å belyse detaljene i mekanismen bak cPGA-hydrolyse. Disse eksperimentene viste at restene E15 og E18 var viktige for dannelsen av den katalytiske lommen og etableringen av hydrogenbindinger med cPGA-molekylet. Residuene G74, G75 og C106 var involvert i stabilisering og dannelsen av det tetraedriske mellomproduktet i reaksjonsveien, mens A107 og P158 bestemte henholdsvis dannelsen av hydrogenbindinger med cPGA-funksjonelle grupper og dannelsen av cPGA-bindingsstedet.

Det er viktig å merke seg at forskerne viste at delesjon av P158 og en missense-mutasjon i A107 (også funnet ved familiær Parkinsons sykdom) fullstendig opphevet DJ-1-hydrolaseaktiviteten mot cPGA in vitro, noe som bekreftet de patofysiologiske konsekvensene av DJ-1-mutasjoner. Basert på disse resultatene foreslo teamet en ny sekstrinns molekylærmodell av DJ-1-hydrolasereaksjonen.

For å vurdere den fysiologiske betydningen av DJ-1, sammenlignet forskerne cPGA-hydrolaseaktivitet i villtype- og DJ-1-knockout-celler. I DJ-1-knockout-celler var cPGA-hydrolaseaktiviteten betydelig redusert, noe som førte til akkumulering av cPGA-modifiserte metabolitter. Dette indikerer at cPGA er det viktigste fysiologiske målet for kjente DJ-1-substrater, og de observerte mutasjonene resulterer i fullstendig tap av cPGA-hydrolysefunksjon.

Moriwaki og Matsuda oppsummerer funnene sine og konkluderer med:

«Vi tror at den molekylære mekanismen vi presenterer vil gi et solid grunnlag for fremtidige funksjonelle studier av DJ-1 og vil utdype vår forståelse av patogenesen til arvelig Parkinsons sykdom.»