Studie bestätigt Rolle des DJ-1-Gens bei der Parkinson-Krankheit

Ein mutiertes Gen namens DJ-1 verursacht eine rezessive Form der Parkinson-Krankheit, doch der molekulare Mechanismus ist noch immer unzureichend verstanden. Um zu verstehen, wie DJ-1 zyklisches 3-Phosphoglycerinsäureanhydrid, einen hochreaktiven, toxischen Zellmetaboliten, hydrolysiert, führten Forscher in Japan molekulare Simulationen und biochemische Analysen, einschließlich einer Mutationsanalyse, durch. Diese bestätigten die Rolle von DJ-1 in der Pathogenese der erblichen Parkinson-Krankheit.

Durch die Aufdeckung der an seiner katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäuren legt diese Arbeit den Grundstein für zukünftige Funktionsstudien von DJ-1. Die Studie wurde im Journal of Cell Biology veröffentlicht.

Das DJ-1/PARK7-Gen, das mit einer rezessiven familiären Form der Parkinson-Krankheit assoziiert ist, kodiert das Protein DJ-1, das eine potenzielle antioxidative Wirkung besitzt und Zellen vor mitochondrialen Schäden schützt. Ihm werden vielfältige biochemische Funktionen zugeschrieben – von der Funktion als redoxreguliertes Chaperon und Transkriptionsregulator bis hin zu Glyoxylase, Cysteinprotease und zyklischer 3-Phosphoglycerinsäureanhydrid (cPGA)-Hydrolase – seine genaue Funktion ist jedoch noch unklar.

Mehrere Fakten über DJ-1 deuten jedoch darauf hin, dass seine primäre Rolle in der Hydrolyse von cPGA liegen könnte. Diese enzymatische Funktion steht im Einklang mit der Molekülstruktur von DJ-1, und die bereits beschriebene Esteraktivität könnte seine Rolle bei der cPGA-Hydrolyse widerspiegeln. Die Instabilität von cPGA erschwert die experimentelle Nutzung dieses Substrats, was unser Verständnis der Rolle von DJ-1 bei der Umwandlung dieses reaktiven Nebenprodukts der Glykolyse in entgiftetes 3-Phosphoglycerat (3PG) einschränkt.

Um dieses Rätsel zu lösen, kombinierte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Noriyuki Matsuda und Associate Professor Yoshitaka Moriwaki vom Institute for Integrated Studies, Science Tokyo, molekulare Simulationen mit biochemischen Analysen und enthüllte den katalytischen Mechanismus der cPGA-Hydrolyse durch das Protein DJ-1.

„Mutationsanalysen zur Identifizierung von Aminosäureresten, die für die cPGA-Hydrolase-Aktivität entscheidend sind, waren bisher auf den Rest C106 beschränkt, und es wurde kein Strukturmodell des cPGA-DJ-1-Komplexes oder Hydrolysemechanismus vorgeschlagen“, erklärt Matsuda die Motivation für seine Studie.

Um den molekularen Mechanismus der cPGA-Hydrolyse zu demonstrieren, untersuchte das Team die Struktur des DJ-1-Komplexes mit cPGA. Molekulardynamische Simulationen dieses Komplexes enthüllten die Schlüsselaminosäuren, die die DJ-1-Bindungsstelle bilden und für die Erkennung und Bindung von cPGA verantwortlich sind.

Anschließend mutierten sie diese Aminosäurereste, um den Mechanismus der cPGA-Hydrolyse im Detail aufzuklären. Diese Experimente zeigten, dass die Reste E15 und E18 für die Bildung der katalytischen Tasche und die Bildung von Wasserstoffbrücken mit dem cPGA-Molekül wichtig sind. Die Reste G74, G75 und C106 waren an der Stabilisierung und der Bildung des tetraedrischen Zwischenprodukts im Reaktionsverlauf beteiligt, während A107 und P158 die Bildung von Wasserstoffbrücken mit funktionellen cPGA-Gruppen bzw. die Bildung der cPGA-Bindungsstelle bestimmten.

Wichtig ist, dass die Forscher zeigten, dass die Deletion von P158 und eine Missense-Mutation in A107 (die auch bei familiärer Parkinson-Krankheit vorkommt) die DJ-1-Hydrolase-Aktivität gegenüber cPGA in vitro vollständig aufhoben, was die pathophysiologischen Folgen von DJ-1-Mutationen bestätigte. Basierend auf diesen Ergebnissen schlug das Team ein neues sechsstufiges molekulares Modell der DJ-1-Hydrolase-Reaktion vor.

Um die physiologische Bedeutung von DJ-1 zu untersuchen, verglichen die Forscher die cPGA-Hydrolase-Aktivität in Wildtyp- und DJ-1-Knockout-Zellen. In DJ-1-Knockout-Zellen war die cPGA-Hydrolase-Aktivität signifikant reduziert, was zur Ansammlung cPGA-modifizierter Metaboliten führte. Dies deutet darauf hin, dass cPGA das wichtigste physiologische Ziel bekannter DJ-1-Substrate ist und die beobachteten Mutationen zum vollständigen Verlust der cPGA-Hydrolysefunktion führen.

Moriwaki und Matsuda fassen ihre Ergebnisse wie folgt zusammen:

„Wir glauben, dass der von uns vorgestellte molekulare Mechanismus eine solide Grundlage für zukünftige Funktionsstudien von DJ-1 bietet und unser Verständnis der Pathogenese der erblichen Parkinson-Krankheit vertiefen wird.“