Студија потврђује улогу гена DJ-1 у Паркинсоновој болести

Мутантни ген назван DJ-1 изазива рецесивни облик Паркинсонове болести, али молекуларни механизам је још увек слабо схваћен. Да би разумели како DJ-1 хидролизује циклични 3-фосфоглицерински анхидрид, високо реактивни, токсични ћелијски метаболит, истраживачи у Јапану су спровели молекуларне симулације и биохемијске анализе, укључујући анализу мутација, потврђујући улогу DJ-1 у патогенези наследне Паркинсонове болести.

Откривањем аминокиселина укључених у његову каталитичку активност, овај рад поставља темеље за будуће функционалне студије DJ-1. Студија је објављена у часопису Journal of Cell Biology.

Ген DJ-1/PARK7, повезан са рецесивним фамилијарним обликом Паркинсонове болести, кодира протеин DJ-1, који има потенцијалну антиоксидативну активност и штити ћелије од оштећења митохондрија. Приписује му се широк спектар биохемијских функција - од редокс-регулисаног шаперона и транскрипционог регулатора до глиоксилазе, цистеин протеазе и цикличне 3-фосфоглицеринске анхидридне (cPGA) хидролазе - али његова тачна функција остаје нејасна.

Међутим, неколико чињеница о DJ-1 указује на то да би његова примарна улога могла бити у хидролизи cPGA. Ова ензимска функција је у складу са молекуларном структуром DJ-1, а раније објављена естарска активност може одражавати његову улогу у хидролизи cPGA. Нестабилност cPGA отежава експерименталну употребу овог супстрата, што је ограничило наше разумевање улоге DJ-1 у претварању овог реактивног нуспроизвода гликолизе у детоксиковани 3-фосфоглицерат (3PG).

Да би решили ову мистерију, тим истраживача, предвођен професором Норијукијем Мацудом и ванредним професором Јошитаком Моривакијем из Института за интегрисане студије, Science Tokyo, комбиновао је молекуларне симулације са биохемијским анализама и открио каталитички механизам хидролизе cPGA помоћу протеина DJ-1.

„Мутациона анализа усмерена на идентификацију аминокиселинских остатака критичних за активност цПГА хидролазе до сада је била ограничена на остатак Ц106, и није предложен структурни модел комплекса цПГА-ДЈ-1 или механизма хидролизе“, објашњава Мацуда, описујући мотивацију за своју студију.

Да би демонстрирали молекуларни механизам хидролизе cPGA, тим је проучавао структуру DJ-1 комплекса са cPGA. Молекуларно-динамске симулације овог комплекса откриле су кључне аминокиселине које формирају „место везивања“ DJ-1 и одговорне су за препознавање и везивање cPGA.

Затим су мутирали ове аминокиселинске остатке како би разјаснили детаље механизма хидролизе cPGA. Ови експерименти су открили да су остаци E15 и E18 важни за формирање каталитичког џепа и успостављање водоничних веза са молекулом cPGA. Остаци G74, G75 и C106 били су укључени у стабилизацију и формирање тетраедарског интермедијера у реакционом путу, док су A107 и P158 одредили формирање водоничних веза са функционалним групама cPGA и формирање места везивања cPGA, респективно.

Важно је напоменути да су истраживачи показали да делеција P158 и мисенс мутација у A107 (такође пронађена код фамилијарне Паркинсонове болести) потпуно укидају активност DJ-1 хидролазе према cPGA in vitro, потврђујући патофизиолошке последице DJ-1 мутација. На основу ових резултата, тим је предложио нови молекуларни модел DJ-1 хидролазне реакције у шест корака.

Да би проценили физиолошки значај DJ-1, истраживачи су упоредили активност cPGA хидролазе у ћелијама дивљег типа и ћелијама са нокаутом DJ-1. У ћелијама са нокаутом DJ-1, активност cPGA хидролазе је била значајно смањена, што је довело до акумулације cPGA-модификованих метаболита. Ово указује да је cPGA главна физиолошка мета познатих DJ-1 супстрата, а примећене мутације доводе до потпуног губитка функције хидролизе cPGA.

Сумирајући своје налазе, Мориваки и Мацуда закључују:

"Верујемо да ће молекуларни механизам који представљамо пружити солидну основу за будуће функционалне студије DJ-1 и продубити наше разумевање патогенезе наследне Паркинсонове болести."