Tyrimas patvirtina DJ-1 geno vaidmenį Parkinsono ligoje

Mutantinis genas, vadinamas DJ-1, sukelia recesyvinę Parkinsono ligos formą, tačiau molekulinis mechanizmas vis dar nėra iki galo suprantamas. Norėdami suprasti, kaip DJ-1 hidrolizuoja ciklinį 3-fosfoglicerino rūgšties anhidridą, labai reaktyvų, toksišką ląstelių metabolitą, Japonijos tyrėjai atliko molekulinius modeliavimus ir biocheminius tyrimus, įskaitant mutacijų analizę, patvirtindami DJ-1 vaidmenį paveldimos Parkinsono ligos patogenezėje.

Atskleidus aminorūgštis, dalyvaujančias jo kataliziniame aktyvume, šis darbas sudaro pagrindą būsimiems DJ-1 funkciniams tyrimams. Tyrimas paskelbtas žurnale „Journal of Cell Biology“.

DJ-1/PARK7 genas, susijęs su recesyvine šeimine Parkinsono ligos forma, koduoja DJ-1 baltymą, kuris pasižymi potencialiu antioksidaciniu aktyvumu ir apsaugo ląsteles nuo mitochondrijų pažeidimų. Jam priskiriamas platus biocheminių funkcijų spektras – nuo redokso reguliuojamo chaperono ir transkripcijos reguliatoriaus iki glioksilazės, cisteino proteazės ir ciklinės 3-fosfoglicerino anhidrido (cPGA) hidrolazės, – tačiau tiksli jo funkcija lieka neaiški.

Vis dėlto keli faktai apie DJ-1 rodo, kad pagrindinis jo vaidmuo gali būti cPGA hidrolizėje. Ši fermentinė funkcija atitinka DJ-1 molekulinę struktūrą, o anksčiau aprašytas esterio aktyvumas gali atspindėti jo vaidmenį cPGA hidrolizėje. Dėl cPGA nestabilumo šį substratą sunku naudoti eksperimentiškai, todėl mes negalime suprasti DJ-1 vaidmens paverčiant šį reaktyvų glikolizės šalutinį produktą detoksikuotu 3-fosfogliceratu (3PG).

Norėdami išspręsti šią paslaptį, profesoriaus Noriyuki Matsudos ir docento Yoshitaka Moriwaki vadovaujama tyrėjų komanda iš Integruotų studijų instituto, Mokslo Tokijuje, sujungė molekulinius modeliavimus su biocheminiais tyrimais ir atskleidė katalizinį cPGA hidrolizės mechanizmą, kurį vykdo baltymas DJ-1.

„Mutacinė analizė, kuria siekiama nustatyti cPGA hidrolazės aktyvumui svarbias aminorūgščių liekanas, iki šiol apsiribojo C106 liekana, ir nebuvo pasiūlytas joks cPGA-DJ-1 komplekso ar hidrolizės mechanizmo struktūrinis modelis“, – aiškina Matsuda, apibūdindamas savo tyrimo motyvaciją.

Siekdama parodyti molekulinį cPGA hidrolizės mechanizmą, komanda tyrė DJ-1 komplekso su cPGA struktūrą. Šio komplekso molekulinės dinamikos modeliavimas atskleidė pagrindines aminorūgštis, kurios sudaro DJ-1 „surišimo vietą“ ir yra atsakingos už cPGA atpažinimą ir surišimą.

Tuomet jie mutavo šias aminorūgščių liekanas, kad išsiaiškintų cPGA hidrolizės mechanizmo detales. Šie eksperimentai atskleidė, kad E15 ir E18 liekanos buvo svarbios katalizinės kišenės formavimuisi ir vandenilinių jungčių su cPGA molekule užmezgimui. G74, G75 ir C106 liekanos dalyvavo stabilizavime ir tetraedrinio tarpinio junginio formavime reakcijos kelyje, o A107 ir P158 atitinkamai nulėmė vandenilinių jungčių su cPGA funkcinėmis grupėmis susidarymą ir cPGA jungimosi vietos susidarymą.

Svarbu tai, kad tyrėjai parodė, jog P158 ištrynimas ir A107 mutacija (taip pat aptinkama sergant šeimine Parkinsono liga) visiškai panaikino DJ-1 hidrolazės aktyvumą cPGA atžvilgiu in vitro, patvirtindamos DJ-1 mutacijų patofiziologines pasekmes. Remdamasi šiais rezultatais, komanda pasiūlė naują šešių pakopų DJ-1 hidrolazės reakcijos molekulinį modelį.

Siekdami įvertinti DJ-1 fiziologinę reikšmę, tyrėjai palygino cPGA hidrolazės aktyvumą laukinio tipo ir DJ-1 nokautuotose ląstelėse. DJ-1 nokautuotose ląstelėse cPGA hidrolazės aktyvumas buvo reikšmingai sumažėjęs, todėl kaupėsi cPGA modifikuoti metabolitai. Tai rodo, kad cPGA yra pagrindinis žinomų DJ-1 substratų fiziologinis taikinys, o stebėtos mutacijos lemia visišką cPGA hidrolizės funkcijos praradimą.

Apibendrindami savo išvadas, Moriwaki ir Matsuda daro išvadą:

„Manome, kad mūsų pateiktas molekulinis mechanizmas suteiks tvirtą pagrindą būsimiems DJ-1 funkciniams tyrimams ir pagilins mūsų supratimą apie paveldimos Parkinsono ligos patogenezę.“