Uuring kinnitab DJ-1 geeni rolli Parkinsoni tõves

Mutantgeen nimega DJ-1 põhjustab Parkinsoni tõve retsessiivset vormi, kuid molekulaarne mehhanism on siiani halvasti mõistetav. Et mõista, kuidas DJ-1 hüdrolüüsib tsüklilist 3-fosfoglütseerhappe anhüdriidi, mis on väga reaktiivse ja toksilise rakulise metaboliidi vorm, viisid Jaapani teadlased läbi molekulaarseid simulatsioone ja biokeemilisi analüüse, sealhulgas mutatsioonianalüüsi, mis kinnitas DJ-1 rolli päriliku Parkinsoni tõve patogeneesis.

Katalüütilise aktiivsusega seotud aminohapete paljastamisega loob see töö aluse DJ-1 edasistele funktsionaalsetele uuringutele. Uuring avaldati ajakirjas Journal of Cell Biology.

DJ-1/PARK7 geen, mis on seotud Parkinsoni tõve retsessiivse perekondliku vormiga, kodeerib DJ-1 valku, millel on potentsiaalne antioksüdantne toime ja mis kaitseb rakke mitokondriaalsete kahjustuste eest. Sellele on omistatud lai valik biokeemilisi funktsioone – redoksreguleeritud šaperonist ja transkriptsiooniregulaatorist kuni glüoksülaasi, tsüsteiinproteaasi ja tsüklilise 3-fosfoglütserianhüdriidi (cPGA) hüdrolaasini –, kuid selle täpne funktsioon on siiani ebaselge.

Siiski viitavad mitmed DJ-1 kohta käivad faktid sellele, et selle peamine roll võib olla cPGA hüdrolüüsis. See ensümaatiline funktsioon on kooskõlas DJ-1 molekulaarstruktuuriga ja varem teatatud estri aktiivsus võib peegeldada selle rolli cPGA hüdrolüüsis. cPGA ebastabiilsus muudab selle substraadi eksperimentaalse kasutamise keeruliseks, mis on piiranud meie arusaama DJ-1 rollist selle glükolüüsi reaktiivse kõrvalprodukti muundamisel detoksifitseeritud 3-fosfoglütseraadiks (3PG).

Selle saladuse lahendamiseks ühendas professor Noriyuki Matsuda ja dotsent Yoshitaka Moriwaki juhitud teadlaste meeskond Science Tokyo integreeritud uuringute instituudist molekulaarsed simulatsioonid biokeemiliste analüüsidega ning paljastas valgu DJ-1 cPGA hüdrolüüsi katalüütilise mehhanismi.

„cPGA hüdrolaasi aktiivsuse jaoks kriitiliste aminohappejääkide tuvastamisele suunatud mutatsioonianalüüs on seni piirdunud jäägiga C106 ning cPGA-DJ-1 kompleksi või hüdrolüüsi mehhanismi struktuurimudelit pole välja pakutud,“ selgitab Matsuda oma uuringu motivatsiooni kirjeldades.

CPGA hüdrolüüsi molekulaarse mehhanismi demonstreerimiseks uuris meeskond DJ-1 kompleksi struktuuri cPGA-ga. Selle kompleksi molekulaardünaamika simulatsioonid paljastasid peamised aminohapped, mis moodustavad DJ-1 "sidumiskoha" ning vastutavad cPGA äratundmise ja sidumise eest.

Seejärel muteerisid nad neid aminohappejääke, et selgitada cPGA hüdrolüüsi mehhanismi üksikasju. Need katsed näitasid, et jäägid E15 ja E18 olid olulised katalüütilise tasku moodustumisel ja vesiniksidemete loomisel cPGA molekuliga. Jäägid G74, G75 ja C106 olid seotud stabiliseerimise ja tetraeedrilise vaheühendi moodustumisega reaktsioonirajas, samas kui A107 ja P158 määrasid vastavalt vesiniksidemete moodustumise cPGA funktsionaalrühmadega ja cPGA sidumissaidi moodustumise.

Oluline on see, et teadlased näitasid, et P158 deletsioon ja A107 missense-mutatsioon (leidub ka perekondliku Parkinsoni tõve korral) kaotasid in vitro täielikult DJ-1 hüdrolaasi aktiivsuse cPGA suhtes, kinnitades DJ-1 mutatsioonide patofüsioloogilisi tagajärgi. Nende tulemuste põhjal pakkus meeskond välja uue kuueastmelise DJ-1 hüdrolaasi reaktsiooni molekulaarse mudeli.

DJ-1 füsioloogilise tähtsuse hindamiseks võrdlesid teadlased cPGA hüdrolaasi aktiivsust metsiktüüpi ja DJ-1 väljalülitusrakkudes. DJ-1 väljalülitusrakkudes oli cPGA hüdrolaasi aktiivsus oluliselt vähenenud, mis viis cPGA-modifitseeritud metaboliitide akumuleerumiseni. See näitab, et cPGA on teadaolevate DJ-1 substraatide peamine füsioloogiline sihtmärk ja täheldatud mutatsioonid põhjustavad cPGA hüdrolüüsi funktsiooni täieliku kadumise.

Oma järeldusi kokku võttes järeldavad Moriwaki ja Matsuda:

"Usume, et meie esitatud molekulaarne mehhanism loob kindla aluse DJ-1 edasisteks funktsionaalseteks uuringuteks ja süvendab meie arusaamist päriliku Parkinsoni tõve patogeneesist."