Onderzoek bevestigt rol van DJ-1-gen bij de ziekte van Parkinson

Een gemuteerd gen genaamd DJ-1 veroorzaakt een recessieve vorm van de ziekte van Parkinson, maar het moleculaire mechanisme is nog steeds slecht begrepen. Om te begrijpen hoe DJ-1 cyclisch 3-fosfoglycerinezuuranhydride hydrolyseert, een zeer reactieve, toxische cellulaire metaboliet, voerden onderzoekers in Japan moleculaire simulaties en biochemische analyses uit, waaronder mutatieanalyse. Deze bevestigden de rol van DJ-1 in de pathogenese van erfelijke ziekte van Parkinson.

Door de aminozuren te onthullen die betrokken zijn bij de katalytische activiteit, legt dit werk de basis voor toekomstige functionele studies van DJ-1. De studie is gepubliceerd in het Journal of Cell Biology.

Het DJ-1/PARK7-gen, geassocieerd met een recessieve familiale vorm van de ziekte van Parkinson, codeert voor het DJ-1-eiwit, dat een potentiële antioxiderende werking heeft en cellen beschermt tegen mitochondriale schade. Er zijn een breed scala aan biochemische functies aan toegeschreven – van een redoxgereguleerde chaperonne en transcriptionele regulator tot glyoxylase, cysteïneprotease en cyclische 3-fosfoglycerinezuuranhydride (cPGA)-hydrolase – maar de exacte functie ervan blijft onduidelijk.

Verschillende feiten over DJ-1 wijzen er echter op dat zijn primaire rol mogelijk ligt in de hydrolyse van cPGA. Deze enzymatische functie is consistent met de moleculaire structuur van DJ-1, en eerder gerapporteerde esteractiviteit kan een weerspiegeling zijn van zijn rol in cPGA-hydrolyse. De instabiliteit van cPGA maakt dit substraat moeilijk experimenteel te gebruiken, wat ons begrip van de rol van DJ-1 bij het omzetten van dit reactieve bijproduct van glycolyse in ontgift 3-fosfoglyceraat (3PG) heeft beperkt.

Om dit mysterie op te lossen, combineerde een onderzoeksteam onder leiding van professor Noriyuki Matsuda en universitair hoofddocent Yoshitaka Moriwaki van het Institute for Integrated Studies, Science Tokyo, moleculaire simulaties met biochemische analyses en onthulde het katalytische mechanisme van cPGA-hydrolyse door het eiwit DJ-1.

"Mutatieanalyse gericht op het identificeren van aminozuren die cruciaal zijn voor de cPGA-hydrolaseactiviteit is tot nu toe beperkt gebleven tot residu C106, en er is geen structureel model van het cPGA–DJ-1-complex of hydrolysemechanisme voorgesteld", legt Matsuda uit, terwijl hij de motivatie voor zijn onderzoek beschrijft.

Om het moleculaire mechanisme van cPGA-hydrolyse te demonstreren, bestudeerde het team de structuur van het DJ-1-complex met cPGA. Moleculaire dynamica-simulaties van dit complex onthulden de belangrijkste aminozuren die de DJ-1-"bindingsplaats" vormen en verantwoordelijk zijn voor de herkenning en binding van cPGA.

Vervolgens muteerden ze deze aminozuren om de details van het mechanisme van cPGA-hydrolyse te verduidelijken. Deze experimenten lieten zien dat residuen E15 en E18 belangrijk waren voor de vorming van de katalytische pocket en het aangaan van waterstofbruggen met het cPGA-molecuul. Residuen G74, G75 en C106 waren betrokken bij de stabilisatie en de vorming van het tetraëdrische intermediair in het reactiepad, terwijl A107 en P158 respectievelijk de vorming van waterstofbruggen met cPGA-functionele groepen en de vorming van de cPGA-bindingsplaats bepaalden.

Belangrijk is dat de onderzoekers aantoonden dat deletie van P158 en een missense-mutatie in A107 (ook aangetroffen bij de ziekte van Parkinson in de familie) de hydrolaseactiviteit van DJ-1 ten opzichte van cPGA in vitro volledig uitschakelde, wat de pathofysiologische gevolgen van DJ-1-mutaties bevestigt. Op basis van deze resultaten stelde het team een nieuw moleculair model van zes stappen voor de hydrolasereactie van DJ-1 voor.

Om de fysiologische betekenis van DJ-1 te beoordelen, vergeleken de onderzoekers de cPGA-hydrolaseactiviteit in wildtype- en DJ-1-knockoutcellen. In DJ-1-knockoutcellen was de cPGA-hydrolaseactiviteit significant verminderd, wat leidde tot accumulatie van cPGA-gemodificeerde metabolieten. Dit wijst erop dat cPGA het belangrijkste fysiologische doelwit is van bekende DJ-1-substraten, en dat de waargenomen mutaties resulteren in volledig verlies van de cPGA-hydrolysefunctie.

Moriwaki en Matsuda vatten hun bevindingen als volgt samen:

"Wij zijn ervan overtuigd dat het moleculaire mechanisme dat wij presenteren een solide basis zal vormen voor toekomstige functionele studies van DJ-1 en ons inzicht in de pathogenese van de erfelijke ziekte van Parkinson zal verdiepen."