Чтобы понять, как белок DJ-1 обезвреживает циклический 3-фосфоглицериновый ангидрид (cPGA) — высокоактивный и токсичный продукт клеточного метаболизма, — ученые из Японии провели молекулярное моделирование и серию биохимических экспериментов. Они подтвердили ключевую роль DJ-1 в развитии наследственной формы болезни Паркинсона. Известно, что мутация в гене DJ-1 вызывает эту болезнь, но как именно это происходит, было неясно. Определив аминокислоты, критически важные для работы белка, исследователи заложили основу для будущих изысканий.

Белок DJ-1, кодируемый геном PARK7, связан с редкой наследственной формой болезни Паркинсона. Ему приписывают множество функций: он считается антиоксидантом, защищающим клетки, регулятором транскрипции, глиоксалазой и даже протеазой. Такое разнообразие запутывало ученых. Однако все больше данных указывает, что главная роль DJ-1 — это именно гидролиз cPGA, то есть его способность расщеплять эту опасную молекулу. Такая ферментативная активность хорошо объясняет структуру белка, а ранее обнаруженная у него эстераза может быть частью этого механизма. Сам cPGA нестабилен, и с ним трудно работать в лаборатории, поэтому долгое время процесс его обезвреживания оставался загадкой.

Международная команда под руководством профессора Нориюки Мацуда и доцента Ёситаки Мориваки из Института комплексных исследований при Научном Токийском институте решила эту головоломку. Они совместили методы компьютерного моделирования с биохимическим анализом и раскрыли механизм работы DJ-1.

Результаты опубликованы в Journal of Cell Biology.

До сих пор мутационный анализ, направленный на поиск аминокислот, важных для расщепления cPGA, ограничивался лишь остатком C106. Ни структурных моделей комплекса cPGA–DJ-1, ни описания механизма гидролиза предложено не было, — поясняет профессор Мацуда, говоря о мотивации своей работы.

Ученые смоделировали структуру комплекса DJ-1 с молекулой cPGA. Динамическое моделирование показало, какие именно аминокислоты в связывающем кармане белка отвечают за распознавание и удержание субстрата. Затем эти аминокислоты мутировали, чтобы проверить их роль. Эксперименты выявили следующее:

• Остатки E15 и E18 формируют каталитический карман и создают водородные связи с cPGA.
• G74, G75 и C106 стабилизируют реакцию, участвуя в образовании тетраэдрического промежуточного звена.
• A107 определяет образование водородных связей с группами cPGA, а P158 критически важен для формирования самого связывающего кармана.

Самое важное — ученые доказали, что делеция (выпадение) P158 и точечные мутации в A107, которые как раз и находят у пациентов с наследственным паркинсонизм, полностью «выключают» способность DJ-1 расщеплять cPGA в пробирке. Это прямо подтверждает патологическую роль таких мутаций. На основе этих данных команда предложила новую шестистадийную модель реакции.

Чтобы проверить роль DJ-1 в живой клетке, активность cPGA-гидролазы сравнили в нормальных клетках и в клетках с «выключенным» геном DJ-1. В клетках без DJ-1 активность по расщеплению cPGA была резко снижена, что приводило к накоплению токсичных продуктов на его основе. Это говорит о том, что среди всех возможных мишеней DJ-1 в клетке, cPGA — основная. Мутации же приводят к полной потере этой защитной функции.

Мы уверены, что предложенная нами молекулярная модель даст прочную основу для будущих исследований функции DJ-1 и углубит наше понимание причин наследственной болезни Паркинсона, — резюмируют Мориваки и Мацуда.

Польза этого исследования выходит за рамки фундаментального понимания. Оно создает точную молекулярную «карту» поломки, ведущей к болезни. Это позволяет:

1. Разрабатывать целевые методы диагностики: можно искать не просто мутации в гене, а оценивать функциональность самого белка или уровень cPGA в качестве биомаркера.
2. Создавать основу для терапии: понимая, как именно выглядит активный центр и как происходит катализ, можно пытаться разрабатывать лекарства двух типов. Первые — активаторы мутантного, но частично рабочего DJ-1. Вторые — фермент-заместительная терапия, доставляющая в клетки стабильную версию белка.
3. Перенаправить научный поиск: теперь ясно, что изучение метаболического пути, связанного с cPGA (например, гликолиз при стрессе), — ключевое направление для поиска средовых факторов риска и точек для фармакологического вмешательства.

Основное замечание лежит в плоскости перехода от in vitro к in vivo. Исследование блестяще показывает механизм в пробирке и доказывает накопление cPGA в лишенных DJ-1 клетках. Однако не до конца ясно, является ли это накопление первичной и непосредственной причиной гибели нейронов при болезни Паркинсона, или же оно — одно из звеньев в более длинной цепи событий (например, оксидативного стресса или дисфункции митохондрий). Для подтверждения ключевой роли именно cPGA необходимы эксперименты на животных моделях, где можно было бы показать, что искусственное снижение уровня cPGA (даже при мутантном DJ-1) предотвращает развитие симптомов паркинсонизма.

Ранее ученые выяснили, что происходит в мозге, когда ломается дофаминовый насос.