Štúdia potvrdzuje úlohu génu DJ-1 pri Parkinsonovej chorobe

Mutantný gén s názvom DJ-1 spôsobuje recesívnu formu Parkinsonovej choroby, ale molekulárny mechanizmus je stále nedostatočne objasnený. Aby výskumníci v Japonsku pochopili, ako DJ-1 hydrolyzuje cyklický 3-fosfoglycerínanhydrid, vysoko reaktívny, toxický bunkový metabolit, vykonali molekulárne simulácie a biochemické analýzy vrátane analýzy mutácií, čím potvrdili úlohu DJ-1 v patogenéze dedičnej Parkinsonovej choroby.

Odhalením aminokyselín zapojených do jeho katalytickej aktivity táto práca kladie základy pre budúce funkčné štúdie DJ-1. Štúdia je publikovaná v časopise Journal of Cell Biology.

Gén DJ-1/PARK7, spojený s recesívnou familiárnou formou Parkinsonovej choroby, kóduje proteín DJ-1, ktorý má potenciálnu antioxidačnú aktivitu a chráni bunky pred mitochondriálnym poškodením. Pripisuje sa mu široká škála biochemických funkcií – od redoxne regulovaného chaperónu a transkripčného regulátora až po glyoxylázu, cysteínovú proteázu a cyklickú 3-fosfoglycerínovú anhydridovú (cPGA) hydrolázu – jeho presná funkcia však zostáva nejasná.

Niekoľko faktov o DJ-1 však naznačuje, že jeho primárna úloha môže byť v hydrolýze cPGA. Táto enzymatická funkcia je v súlade s molekulárnou štruktúrou DJ-1 a predtým hlásená esterová aktivita môže odrážať jeho úlohu v hydrolýze cPGA. Nestabilita cPGA sťažuje experimentálne použitie tohto substrátu, čo obmedzuje naše chápanie úlohy DJ-1 pri premene tohto reaktívneho vedľajšieho produktu glykolýzy na detoxikovaný 3-fosfoglycerát (3PG).

Aby vyriešili túto záhadu, tím výskumníkov pod vedením profesora Noriyukih Matsudu a docenta Yoshitaku Moriwakiho z Inštitútu pre integrované štúdie Science Tokyo skombinoval molekulárne simulácie s biochemickými analýzami a odhalil katalytický mechanizmus hydrolýzy cPGA proteínom DJ-1.

„Mutačná analýza zameraná na identifikáciu aminokyselinových zvyškov kritických pre aktivitu cPGA hydrolázy sa doteraz obmedzila na zvyšok C106 a nebol navrhnutý žiadny štrukturálny model komplexu cPGA-DJ-1 ani mechanizmu hydrolýzy,“ vysvetľuje Matsuda a opisuje motiváciu svojej štúdie.

Aby tím demonštroval molekulárny mechanizmus hydrolýzy cPGA, študoval štruktúru komplexu DJ-1 s cPGA. Molekulárno-dynamické simulácie tohto komplexu odhalili kľúčové aminokyseliny, ktoré tvoria „väzbové miesto“ DJ-1 a sú zodpovedné za rozpoznanie a väzbu cPGA.

Následne mutovali tieto aminokyselinové zvyšky, aby objasnili detaily mechanizmu hydrolýzy cPGA. Tieto experimenty ukázali, že zvyšky E15 a E18 boli dôležité pre tvorbu katalytického vrecka a vytvorenie vodíkových väzieb s molekulou cPGA. Zvyšky G74, G75 a C106 sa podieľali na stabilizácii a tvorbe tetraedrického medziproduktu v reakčnej dráhe, zatiaľ čo A107 a P158 určovali tvorbu vodíkových väzieb s funkčnými skupinami cPGA a tvorbu väzbového miesta cPGA.

Dôležité je, že výskumníci preukázali, že delécia P158 a missense mutácia v A107 (tiež nájdená pri familiárnej Parkinsonovej chorobe) úplne zrušili aktivitu DJ-1 hydrolázy voči cPGA in vitro, čím potvrdili patofyziologické dôsledky mutácií DJ-1. Na základe týchto výsledkov tím navrhol nový šesťkrokový molekulárny model reakcie DJ-1 hydrolázy.

Aby výskumníci posúdili fyziologický význam DJ-1, porovnali aktivitu cPGA hydrolázy v bunkách divokého typu a v bunkách s knockoutom DJ-1. V bunkách s knockoutom DJ-1 bola aktivita cPGA hydrolázy významne znížená, čo viedlo k akumulácii metabolitov modifikovaných cPGA. To naznačuje, že cPGA je hlavným fyziologickým cieľom známych substrátov DJ-1 a pozorované mutácie vedú k úplnej strate hydrolýznej funkcie cPGA.

Moriwaki a Matsuda zhrnuli svoje zistenia a dospeli k záveru:

„Veríme, že molekulárny mechanizmus, ktorý prezentujeme, poskytne solídny základ pre budúce funkčné štúdie DJ-1 a prehĺbi naše chápanie patogenézy dedičnej Parkinsonovej choroby.“