מחקר מאשר את תפקידו של הגן DJ-1 במחלת פרקינסון

גן מוטנטי בשם DJ-1 גורם לצורה רצסיבית של מחלת פרקינסון, אך המנגנון המולקולרי עדיין אינו מובן היטב. כדי להבין כיצד DJ-1 מפרק הידרוליזה של אנהידריד 3-פוספוגליצריני ציקלי, מטבוליט תאי רעיל בעל תגובתיות גבוהה, חוקרים ביפן ביצעו סימולציות מולקולריות וניתוחים ביוכימיים, כולל ניתוח מוטציות, שאישרו את תפקידו של DJ-1 בפתוגנזה של מחלת פרקינסון תורשתית.

על ידי חשיפת חומצות האמינו המעורבות בפעילותו הקטליטית, עבודה זו מניחה את היסודות למחקרים פונקציונליים עתידיים של DJ-1. המחקר פורסם בכתב העת Journal of Cell Biology.

הגן DJ-1/PARK7, המקושר לצורה משפחתית רצסיבית של מחלת פרקינסון, מקודד את חלבון DJ-1, בעל פעילות נוגדת חמצון פוטנציאלית ומגן על תאים מפני נזק מיטוכונדריאלי. יוחס לו מגוון רחב של תפקודים ביוכימיים - החל מלווה המווסת על ידי חמצון-חיזור ומווסת שעתוק ועד גליוקסילאז, ציסטאין פרוטאז והידרולאז מחזורי של 3-פוספוגליצרין (cPGA) - אך תפקידו המדויק נותר לא ברור.

עם זאת, מספר עובדות אודות DJ-1 מצביעות על כך שתפקידו העיקרי עשוי להיות בהידרוליזה של cPGA. תפקוד אנזימטי זה עולה בקנה אחד עם המבנה המולקולרי של DJ-1, ופעילות אסטר שדווחה בעבר עשויה לשקף את תפקידו בהידרוליזה של cPGA. חוסר היציבות של cPGA מקשה על השימוש הניסויי בסובסטרט זה, מה שהגביל את הבנתנו את תפקידו של DJ-1 בהמרת תוצר לוואי ריאקטיבי זה של גליקוליזה ל-3-פוספוגליצרט (3PG) שעבר דטוקסיפיקציה.

כדי לפתור את התעלומה הזו, צוות חוקרים בראשות פרופסור נוריוקי מצודה ופרופסור חבר יושיטאקה מוריוואקי מהמכון ללימודים משולבים במדע טוקיו, שילב סימולציות מולקולריות עם ניתוחים ביוכימיים וחשף את המנגנון הקטליטי של הידרוליזה של cPGA על ידי החלבון DJ-1.

"ניתוח מוטציות שמטרתו לזהות שיירי חומצות אמינו קריטיים לפעילות cPGA הידרולאז הוגבל עד כה לשיירי C106, ולא הוצע מודל מבני של קומפלקס cPGA-DJ-1 או מנגנון הידרוליזה", מסביר מטסודה, ומתאר את המוטיבציה למחקרו.

כדי להדגים את המנגנון המולקולרי של הידרוליזה של cPGA, הצוות חקר את המבנה של קומפלקס DJ-1 עם cPGA. סימולציות דינמיקה מולקולרית של קומפלקס זה חשפו את חומצות האמינו המרכזיות היוצרות את "אתר הקישור" של DJ-1 ואחראיות על זיהוי וקישור של cPGA.

לאחר מכן הם ביצעו מוטציה בשאריות חומצות האמינו הללו כדי להבהיר את פרטי מנגנון ההידרוליזה של cPGA. ניסויים אלה גילו כי השאריות E15 ו-E18 היו חשובות להיווצרות הכיס הקטליטי וליצירת קשרי מימן עם מולקולת cPGA. השאריות G74, G75 ו-C106 היו מעורבות בייצוב ובהיווצרות תוצר הביניים הטטרהדרלי במסלול התגובה, בעוד ש-A107 ו-P158 קבעו את היווצרות קשרי המימן עם קבוצות פונקציונליות cPGA ואת היווצרות אתר הקישור cPGA, בהתאמה.

חשוב לציין, החוקרים הראו כי מחיקה של P158 ומוטציה מסוג missense ב-A107 (שנמצאה גם במחלת פרקינסון משפחתית) ביטלו לחלוטין את פעילות ההידרולאז DJ-1 כלפי cPGA במבחנה, מה שמאשר את ההשלכות הפתופיזיולוגיות של מוטציות DJ-1. בהתבסס על תוצאות אלו, הציע הצוות מודל מולקולרי חדש בן שישה שלבים של תגובת ההידרולאז DJ-1.

כדי להעריך את המשמעות הפיזיולוגית של DJ-1, החוקרים השוו את פעילות ההידרולאז של cPGA בתאי נוקאאוט מסוג בר ותאי נוקאאוט של DJ-1. בתאי נוקאאוט של DJ-1, פעילות ההידרולאז של cPGA פחתה משמעותית, מה שהוביל להצטברות של מטבוליטים שעברו שינוי על ידי cPGA. ממצא זה מצביע על כך ש-cPGA הוא המטרה הפיזיולוגית העיקרית של סובסטרטים ידועים של DJ-1, והמוטציות שנצפו גורמות לאובדן מוחלט של תפקוד ההידרוליזה של cPGA.

בסיכום ממצאיהם, מוריוואקי ומאטסודה מסכמים:

אנו מאמינים שהמנגנון המולקולרי שאנו מציגים יספק בסיס איתן למחקרים פונקציונליים עתידיים של DJ-1 ויעמיק את הבנתנו את הפתוגנזה של מחלת פרקינסון התורשתית."