Studie potvrzuje roli genu DJ-1 u Parkinsonovy choroby

Mutantní gen DJ-1 způsobuje recesivní formu Parkinsonovy choroby, ale molekulární mechanismus je stále špatně pochopen. Aby vědci v Japonsku pochopili, jak DJ-1 hydrolyzuje cyklický 3-fosfoglycerový anhydrid, vysoce reaktivní, toxický buněčný metabolit, provedli molekulární simulace a biochemické analýzy, včetně analýzy mutací, které potvrdily roli DJ-1 v patogenezi dědičné Parkinsonovy choroby.

Odhalením aminokyselin zapojených do jeho katalytické aktivity tato práce pokládá základ pro budoucí funkční studie DJ-1. Studie je publikována v časopise Journal of Cell Biology.

Gen DJ-1/PARK7, asociovaný s recesivní familiární formou Parkinsonovy choroby, kóduje protein DJ-1, který má potenciální antioxidační aktivitu a chrání buňky před poškozením mitochondrií. Byla mu připisována široká škála biochemických funkcí – od redoxně regulovaného chaperonu a transkripčního regulátoru až po glyoxylázu, cysteinovou proteázu a cyklickou 3-fosfoglycerovou anhydridovou (cPGA) hydrolázu – ale jeho přesná funkce zůstává nejasná.

Několik faktů o DJ-1 však naznačuje, že jeho primární role může být v hydrolýze cPGA. Tato enzymatická funkce je v souladu s molekulární strukturou DJ-1 a dříve popsaná esterová aktivita může odrážet jeho roli v hydrolýze cPGA. Nestabilita cPGA ztěžuje experimentální použití tohoto substrátu, což omezuje naše chápání role DJ-1 v přeměně tohoto reaktivního vedlejšího produktu glykolýzy na detoxikovaný 3-fosfoglycerát (3PG).

Aby tuto záhadu vyřešil, tým výzkumníků vedený profesorem Noriyukim Matsudou a docentem Yoshitakou Moriwakim z Institutu pro integrovaná studia ve Science Tokyo zkombinoval molekulární simulace s biochemickými analýzami a odhalil katalytický mechanismus hydrolýzy cPGA proteinem DJ-1.

„Mutační analýza zaměřená na identifikaci aminokyselinových zbytků kritických pro aktivitu cPGA hydrolázy se dosud omezila na zbytek C106 a nebyl navržen žádný strukturní model komplexu cPGA-DJ-1 ani mechanismu hydrolýzy,“ vysvětluje Matsuda a popisuje motivaci své studie.

Pro demonstraci molekulárního mechanismu hydrolýzy cPGA tým studoval strukturu komplexu DJ-1 s cPGA. Molekulárně dynamické simulace tohoto komplexu odhalily klíčové aminokyseliny, které tvoří „vazebné místo“ DJ-1 a jsou zodpovědné za rozpoznání a vazbu cPGA.

Poté mutovali tyto aminokyselinové zbytky, aby objasnili detaily mechanismu hydrolýzy cPGA. Tyto experimenty ukázaly, že zbytky E15 a E18 byly důležité pro tvorbu katalytické kapsy a vytváření vodíkových vazeb s molekulou cPGA. Zbytky G74, G75 a C106 se podílely na stabilizaci a tvorbě tetraedrického meziproduktu v reakční dráze, zatímco A107 a P158 určovaly tvorbu vodíkových vazeb s funkčními skupinami cPGA a tvorbu vazebného místa cPGA.

Důležité je, že vědci prokázali, že delece genu P158 a missense mutace v genu A107 (která se vyskytuje i u familiární Parkinsonovy choroby) in vitro zcela zrušily aktivitu DJ-1 hydrolázy vůči cPGA, což potvrzuje patofyziologické důsledky mutací DJ-1. Na základě těchto výsledků tým navrhl nový šestistupňový molekulární model reakce DJ-1 hydrolázy.

Pro posouzení fyziologického významu DJ-1 vědci porovnali aktivitu cPGA hydrolázy v buňkách divokého typu a buňkách s knockoutem DJ-1. V buňkách s knockoutem DJ-1 byla aktivita cPGA hydrolázy významně snížena, což vedlo k akumulaci metabolitů modifikovaných cPGA. To naznačuje, že cPGA je hlavním fyziologickým cílem známých substrátů DJ-1 a pozorované mutace vedou k úplné ztrátě hydrolýzní funkce cPGA.

Moriwaki a Matsuda shrnuli svá zjištění a dospěli k závěru:

„Věříme, že molekulární mechanismus, který prezentujeme, poskytne solidní základ pro budoucí funkční studie DJ-1 a prohloubí naše chápání patogeneze dědičné Parkinsonovy choroby.“