Studie bekräftar DJ-1-genens roll i Parkinsons sjukdom

En mutantgen som kallas DJ-1 orsakar en recessiv form av Parkinsons sjukdom, men den molekylära mekanismen är fortfarande dåligt förstådd. För att förstå hur DJ-1 hydrolyserar cyklisk 3-fosfoglycerinsyraanhydrid, en mycket reaktiv, toxisk cellulär metabolit, utförde forskare i Japan molekylära simuleringar och biokemiska analyser, inklusive mutationsanalys, vilket bekräftade en roll för DJ-1 i patogenesen av ärftlig Parkinsons sjukdom.

Genom att avslöja de aminosyror som är involverade i dess katalytiska aktivitet lägger detta arbete grunden för framtida funktionella studier av DJ-1. Studien publiceras i Journal of Cell Biology.

DJ-1/PARK7-genen, associerad med en recessiv familjär form av Parkinsons sjukdom, kodar för DJ-1-proteinet, vilket har potentiell antioxidantaktivitet och skyddar celler från mitokondriell skada. Det har tillskrivits ett brett spektrum av biokemiska funktioner - från en redoxreglerad chaperon och transkriptionsregulator till glyoxylas, cysteinproteas och cyklisk 3-fosfoglycerinsyraanhydrid (cPGA) hydrolas - men dess exakta funktion är fortfarande oklar.

Flera fakta om DJ-1 indikerar dock att dess primära roll kan vara i hydrolysen av cPGA. Denna enzymatiska funktion överensstämmer med den molekylära strukturen hos DJ-1, och tidigare rapporterad esteraktivitet kan återspegla dess roll i cPGA-hydrolys. Instabiliteten hos cPGA gör detta substrat svårt att använda experimentellt, vilket har begränsat vår förståelse av DJ-1:s roll i att omvandla denna reaktiva biprodukt av glykolys till avgiftat 3-fosfoglycerat (3PG).

För att lösa detta mysterium kombinerade ett forskarteam lett av professor Noriyuki Matsuda och docent Yoshitaka Moriwaki från Institute for Integrated Studies, Science Tokyo, molekylära simuleringar med biokemiska analyser och avslöjade den katalytiska mekanismen för cPGA-hydrolys av proteinet DJ-1.

”Mutationsanalys som syftar till att identifiera aminosyrarester som är kritiska för cPGA-hydrolasaktivitet har hittills begränsats till rest C106, och ingen strukturell modell av cPGA-DJ-1-komplexet eller hydrolysmekanismen har föreslagits”, förklarar Matsuda och beskriver motivationen för sin studie.

För att demonstrera den molekylära mekanismen för cPGA-hydrolys studerade teamet strukturen hos DJ-1-komplexet med cPGA. Molekyldynamiska simuleringar av detta komplex avslöjade de viktigaste aminosyrorna som bildar DJ-1-"bindningsstället" och ansvarar för cPGA-igenkänning och bindning.

De muterade sedan dessa aminosyrarester för att belysa detaljerna kring mekanismen för cPGA-hydrolys. Dessa experiment visade att aminosyraresterna E15 och E18 var viktiga för bildandet av den katalytiska fickan och etableringen av vätebindningar med cPGA-molekylen. Residuerna G74, G75 och C106 var involverade i stabilisering och bildandet av den tetraedriska intermediären i reaktionsvägen, medan A107 och P158 bestämde bildandet av vätebindningar med cPGA-funktionella grupper respektive bildandet av cPGA-bindningsstället.

Viktigt är att forskarna visade att deletion av P158 och en missense-mutation i A107 (som också finns vid familjär Parkinsons sjukdom) fullständigt avskaffade DJ-1-hydrolasaktiviteten mot cPGA in vitro, vilket bekräftar de patofysiologiska konsekvenserna av DJ-1-mutationer. Baserat på dessa resultat föreslog teamet en ny sexstegsmolekylär modell av DJ-1-hydrolasreaktionen.

För att bedöma den fysiologiska betydelsen av DJ-1 jämförde forskarna cPGA-hydrolasaktivitet i vildtyps- och DJ-1-knockoutceller. I DJ-1-knockoutceller var cPGA-hydrolasaktiviteten signifikant reducerad, vilket ledde till ackumulering av cPGA-modifierade metaboliter. Detta indikerar att cPGA är det huvudsakliga fysiologiska målet för kända DJ-1-substrat, och de observerade mutationerna resulterar i fullständig förlust av cPGA-hydrolysfunktionen.

Moriwaki och Matsuda sammanfattar sina resultat och drar följande slutsats:

"Vi tror att den molekylära mekanism vi presenterar kommer att ge en solid grund för framtida funktionella studier av DJ-1 och kommer att fördjupa vår förståelse av patogenesen vid ärftlig Parkinsons sjukdom."