การศึกษายืนยันบทบาทของยีน DJ-1 ในโรคพาร์กินสัน

ยีนกลายพันธุ์ที่เรียกว่า DJ-1 ก่อให้เกิดโรคพาร์กินสันแบบด้อย แต่กลไกทางโมเลกุลยังคงเข้าใจได้ยาก เพื่อทำความเข้าใจว่า DJ-1 ย่อยสลายไซคลิก 3-ฟอสโฟกลีเซอริกแอนไฮไดรด์ ซึ่งเป็นเมแทบอไลต์ของเซลล์ที่มีปฏิกิริยาสูงและเป็นพิษได้อย่างไร นักวิจัยในญี่ปุ่นได้ทำการจำลองโมเลกุลและวิเคราะห์ทางชีวเคมี รวมถึงการวิเคราะห์การกลายพันธุ์ ซึ่งยืนยันบทบาทของ DJ-1 ในการเกิดโรคพาร์กินสันที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม

งานวิจัยนี้วางรากฐานสำหรับการศึกษาเชิงหน้าที่ของ DJ-1 ในอนาคต โดยการเปิดเผยกรดอะมิโนที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Cell Biology

ยีน DJ-1/PARK7 ซึ่งเกี่ยวข้องกับโรคพาร์กินสันแบบพันธุกรรมด้อย ทำหน้าที่เข้ารหัสโปรตีน DJ-1 ซึ่งมีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระและปกป้องเซลล์จากความเสียหายของไมโทคอนเดรีย ยีนนี้ถูกระบุว่ามีหน้าที่ทางชีวเคมีมากมาย ตั้งแต่การเป็นชาเพอโรนที่ควบคุมด้วยรีดอกซ์และการควบคุมการถอดรหัส ไปจนถึงไกลออกซิเลส ซิสเทอีนโปรตีเอส และไซคลิก 3-ฟอสโฟกลีเซอริกแอนไฮไดรด์ (cPGA) ไฮโดรเลส แต่หน้าที่ที่แท้จริงของยีนนี้ยังคงไม่ชัดเจน

อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงหลายประการเกี่ยวกับ DJ-1 บ่งชี้ว่าบทบาทหลักของมันอาจอยู่ในกระบวนการไฮโดรไลซิสของ cPGA หน้าที่ของเอนไซม์นี้สอดคล้องกับโครงสร้างโมเลกุลของ DJ-1 และกิจกรรมของเอสเทอร์ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้อาจสะท้อนถึงบทบาทของมันในกระบวนการไฮโดรไลซิสของ cPGA ความไม่เสถียรของ cPGA ทำให้สารตั้งต้นนี้ยากต่อการทดลอง ซึ่งจำกัดความเข้าใจของเราเกี่ยวกับบทบาทของ DJ-1 ในการเปลี่ยนผลพลอยได้จากไกลโคไลซิสที่เกิดปฏิกิริยานี้ให้เป็น 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต (3PG) ที่ถูกดีท็อกซ์

เพื่อไขปริศนานี้ ทีมนักวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ Noriyuki Matsuda และรองศาสตราจารย์ Yoshitaka Moriwaki จากสถาบันบูรณาการวิทยาศาสตร์โตเกียว ได้ผสมผสานการจำลองโมเลกุลเข้ากับการวิเคราะห์ทางชีวเคมี และเปิดเผยกลไกการเร่งปฏิกิริยาของการไฮโดรไลซิส cPGA โดยโปรตีน DJ-1

“การวิเคราะห์การกลายพันธุ์ที่มุ่งเป้าไปที่การระบุกรดอะมิโนที่มีความสำคัญต่อกิจกรรมของ cPGA hydrolase จนถึงขณะนี้ยังจำกัดอยู่แค่กรดอะมิโน C106 เท่านั้น และยังไม่มีการนำเสนอแบบจำลองโครงสร้างของคอมเพล็กซ์ cPGA–DJ-1 หรือกลไกการไฮโดรไลซิสใดๆ” Matsuda อธิบายเกี่ยวกับแรงจูงใจในการศึกษาของเขา

เพื่อสาธิตกลไกโมเลกุลของการไฮโดรไลซิส cPGA ทีมวิจัยได้ศึกษาโครงสร้างของสารประกอบเชิงซ้อน DJ-1 ด้วย cPGA การจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลของสารประกอบเชิงซ้อนนี้เผยให้เห็นกรดอะมิโนสำคัญที่ก่อตัวเป็น “ตำแหน่งจับ” DJ-1 และมีหน้าที่ในการจดจำและจับ cPGA

จากนั้นพวกเขาจึงทำการกลายพันธุ์กรดอะมิโนเหล่านี้เพื่ออธิบายรายละเอียดของกลไกการไฮโดรไลซิส cPGA การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่ากรดอะมิโน E15 และ E18 มีความสำคัญต่อการสร้างช่องเร่งปฏิกิริยาและการสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุล cPGA กรดอะมิโน G74, G75 และ C106 มีส่วนเกี่ยวข้องกับการรักษาเสถียรภาพและการสร้างสารตัวกลางทรงสี่หน้าในวิถีปฏิกิริยา ในขณะที่กรดอะมิโน A107 และ P158 ศึกษาการสร้างพันธะไฮโดรเจนกับหมู่ฟังก์ชัน cPGA และการสร้างตำแหน่งจับ cPGA ตามลำดับ

ที่สำคัญ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าการลบ P158 และการกลายพันธุ์แบบ missense ใน A107 (ซึ่งพบในโรคพาร์กินสันแบบพันธุกรรมเช่นกัน) ทำให้กิจกรรมของ DJ-1 hydrolase ที่มีต่อ cPGA หายไปอย่างสมบูรณ์ในหลอดทดลอง ซึ่งยืนยันผลทางพยาธิสรีรวิทยาของการกลายพันธุ์ DJ-1 จากผลการศึกษาเหล่านี้ ทีมวิจัยได้เสนอแบบจำลองโมเลกุลใหม่ 6 ขั้นตอนของปฏิกิริยา DJ-1 hydrolase

เพื่อประเมินความสำคัญทางสรีรวิทยาของ DJ-1 นักวิจัยได้เปรียบเทียบกิจกรรม cPGA hydrolase ในเซลล์ชนิดป่าและเซลล์ที่ถูกน็อคเอาท์ DJ-1 พบว่าในเซลล์ที่ถูกน็อคเอาท์ DJ-1 กิจกรรม cPGA hydrolase ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ นำไปสู่การสะสมของเมแทบอไลต์ที่ถูกดัดแปลงด้วย cPGA ซึ่งบ่งชี้ว่า cPGA เป็นเป้าหมายทางสรีรวิทยาหลักของสารตั้งต้น DJ-1 ที่ทราบ และการกลายพันธุ์ที่สังเกตพบส่งผลให้สูญเสียฟังก์ชันการไฮโดรไลซิสของ cPGA อย่างสมบูรณ์

Moriwaki และ Matsuda สรุปผลการค้นพบของตนดังนี้:

"เราเชื่อว่ากลไกระดับโมเลกุลที่เรานำเสนอจะให้พื้นฐานที่มั่นคงสำหรับการศึกษาเชิงหน้าที่ของ DJ-1 ในอนาคต และจะทำให้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเกิดโรคพาร์กินสันที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมมีความลึกซึ้งยิ่งขึ้น"