Undersøgelse bekræfter DJ-1-genets rolle i Parkinsons sygdom

Et mutantgen kaldet DJ-1 forårsager en recessiv form af Parkinsons sygdom, men den molekylære mekanisme er stadig dårligt forstået. For at forstå, hvordan DJ-1 hydrolyserer cyklisk 3-phosphoglycerinsyreanhydrid, en meget reaktiv, giftig cellulær metabolit, udførte forskere i Japan molekylære simuleringer og biokemiske analyser, herunder mutationsanalyse, hvilket bekræftede en rolle for DJ-1 i patogenesen af arvelig Parkinsons sygdom.

Ved at afsløre de aminosyrer, der er involveret i dens katalytiske aktivitet, lægger dette arbejde grundlaget for fremtidige funktionelle studier af DJ-1. Undersøgelsen er offentliggjort i Journal of Cell Biology.

DJ-1/PARK7-genet, der er forbundet med en recessiv familiær form af Parkinsons sygdom, koder for DJ-1-proteinet, som har potentiel antioxidantaktivitet og beskytter celler mod mitokondrielle skader. Det er blevet tilskrevet en bred vifte af biokemiske funktioner - fra en redox-reguleret chaperon og transkriptionsregulator til glyoxylase, cysteinprotease og cyklisk 3-phosphoglycerinsyreanhydrid (cPGA) hydrolase - men dets nøjagtige funktion er stadig uklar.

Adskillige fakta om DJ-1 indikerer imidlertid, at dets primære rolle kan være i hydrolysen af cPGA. Denne enzymatiske funktion er i overensstemmelse med DJ-1's molekylære struktur, og tidligere rapporteret esteraktivitet kan afspejle dets rolle i cPGA-hydrolyse. CPGA's ustabilitet gør dette substrat vanskeligt at bruge eksperimentelt, hvilket har begrænset vores forståelse af DJ-1's rolle i omdannelsen af dette reaktive biprodukt af glykolyse til afgiftet 3-phosphoglycerat (3PG).

For at løse dette mysterium kombinerede et forskerhold ledet af professor Noriyuki Matsuda og lektor Yoshitaka Moriwaki fra Institute for Integrated Studies, Science Tokyo, molekylære simuleringer med biokemiske analyser og afslørede den katalytiske mekanisme bag cPGA-hydrolyse af proteinet DJ-1.

"Mutationsanalyse med det formål at identificere aminosyrerester, der er kritiske for cPGA-hydrolaseaktivitet, har indtil videre været begrænset til rest C106, og der er ikke foreslået nogen strukturel model af cPGA-DJ-1-komplekset eller hydrolysemekanismen," forklarer Matsuda og beskriver motivationen for sit studie.

For at demonstrere den molekylære mekanisme bag cPGA-hydrolyse studerede teamet strukturen af DJ-1-komplekset med cPGA. Molekylære dynamiksimuleringer af dette kompleks afslørede de vigtigste aminosyrer, der danner DJ-1-"bindingsstedet" og er ansvarlige for cPGA-genkendelse og -binding.

De muterede derefter disse aminosyrerester for at belyse detaljerne i mekanismen bag cPGA-hydrolyse. Disse eksperimenter viste, at resterne E15 og E18 var vigtige for dannelsen af den katalytiske lomme og etableringen af hydrogenbindinger med cPGA-molekylet. Residuerne G74, G75 og C106 var involveret i stabilisering og dannelsen af det tetraedriske mellemprodukt i reaktionsvejen, mens A107 og P158 bestemte henholdsvis dannelsen af hydrogenbindinger med cPGA-funktionelle grupper og dannelsen af cPGA-bindingsstedet.

Det er vigtigt at bemærke, at forskerne viste, at deletion af P158 og en missense-mutation i A107 (også fundet i familiær Parkinsons sygdom) fuldstændigt ophævede DJ-1-hydrolaseaktiviteten mod cPGA in vitro, hvilket bekræfter de patofysiologiske konsekvenser af DJ-1-mutationer. Baseret på disse resultater foreslog teamet en ny seks-trins molekylær model af DJ-1-hydrolasereaktionen.

For at vurdere den fysiologiske betydning af DJ-1 sammenlignede forskerne cPGA-hydrolaseaktivitet i vildtype- og DJ-1-knockout-celler. I DJ-1-knockout-celler var cPGA-hydrolaseaktiviteten signifikant reduceret, hvilket førte til akkumulering af cPGA-modificerede metabolitter. Dette indikerer, at cPGA er det primære fysiologiske mål for kendte DJ-1-substrater, og de observerede mutationer resulterer i fuldstændigt tab af cPGA-hydrolysefunktion.

Moriwaki og Matsuda opsummerer deres resultater og konkluderer:

"Vi mener, at den molekylære mekanisme, vi præsenterer, vil danne et solidt grundlag for fremtidige funktionelle studier af DJ-1 og vil uddybe vores forståelse af patogenesen af arvelig Parkinsons sygdom."