Studi Mengonfirmasi Peran Gen DJ-1 dalam Penyakit Parkinson

Gen mutan bernama DJ-1 menyebabkan penyakit Parkinson resesif, tetapi mekanisme molekulernya masih kurang dipahami. Untuk memahami bagaimana DJ-1 menghidrolisis siklik 3-fosfogliserat anhidrida, suatu metabolit seluler yang sangat reaktif dan toksik, para peneliti di Jepang melakukan simulasi molekuler dan analisis biokimia, termasuk analisis mutasi, yang mengonfirmasi peran DJ-1 dalam patogenesis penyakit Parkinson turunan.

Dengan mengungkap asam amino yang terlibat dalam aktivitas katalitiknya, penelitian ini meletakkan dasar bagi studi fungsional DJ-1 di masa mendatang. Studi ini dipublikasikan di Journal of Cell Biology.

Gen DJ-1/PARK7, yang terkait dengan penyakit Parkinson familial resesif, mengkode protein DJ-1, yang berpotensi memiliki aktivitas antioksidan dan melindungi sel dari kerusakan mitokondria. Protein ini telah dikaitkan dengan berbagai fungsi biokimia—mulai dari chaperone yang diatur redoks dan regulator transkripsi hingga glioksilase, sistein protease, dan siklik 3-fosfogliserat anhidrida (cPGA) hidrolase—namun fungsi pastinya masih belum jelas.

Namun, beberapa fakta tentang DJ-1 menunjukkan bahwa peran utamanya kemungkinan besar adalah dalam hidrolisis cPGA. Fungsi enzimatik ini konsisten dengan struktur molekul DJ-1, dan aktivitas ester yang dilaporkan sebelumnya mungkin mencerminkan perannya dalam hidrolisis cPGA. Ketidakstabilan cPGA membuat substrat ini sulit digunakan secara eksperimental, sehingga membatasi pemahaman kita tentang peran DJ-1 dalam mengubah produk sampingan glikolisis reaktif ini menjadi 3-fosfogliserat (3PG) yang telah didetoksifikasi.

Untuk memecahkan misteri ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Noriyuki Matsuda dan Profesor Madya Yoshitaka Moriwaki dari Institut Studi Terpadu, Science Tokyo, menggabungkan simulasi molekuler dengan analisis biokimia dan mengungkap mekanisme katalitik hidrolisis cPGA oleh protein DJ-1.

“Analisis mutasi yang bertujuan mengidentifikasi residu asam amino penting bagi aktivitas hidrolase cPGA sejauh ini terbatas pada residu C106, dan belum ada model struktural kompleks cPGA–DJ-1 atau mekanisme hidrolisis yang diusulkan,” jelas Matsuda, menjelaskan motivasi penelitiannya.

Untuk mendemonstrasikan mekanisme molekuler hidrolisis cPGA, tim mempelajari struktur kompleks DJ-1 dengan cPGA. Simulasi dinamika molekul kompleks ini mengungkap asam amino kunci yang membentuk "situs pengikatan" DJ-1 dan bertanggung jawab atas pengenalan dan pengikatan cPGA.

Mereka kemudian memutasi residu asam amino ini untuk menjelaskan detail mekanisme hidrolisis cPGA. Percobaan ini mengungkapkan bahwa residu E15 dan E18 berperan penting dalam pembentukan kantong katalitik dan pembentukan ikatan hidrogen dengan molekul cPGA. Residu G74, G75, dan C106 berperan dalam stabilisasi dan pembentukan zat antara tetrahedral dalam jalur reaksi, sementara A107 dan P158 masing-masing menentukan pembentukan ikatan hidrogen dengan gugus fungsi cPGA dan pembentukan situs pengikatan cPGA.

Yang penting, para peneliti menunjukkan bahwa delesi P158 dan mutasi missense pada A107 (juga ditemukan pada penyakit Parkinson familial) sepenuhnya menghilangkan aktivitas hidrolase DJ-1 terhadap cPGA secara in vitro, yang mengonfirmasi konsekuensi patofisiologis mutasi DJ-1. Berdasarkan hasil ini, tim mengusulkan model molekuler enam langkah baru untuk reaksi hidrolase DJ-1.

Untuk menilai signifikansi fisiologis DJ-1, para peneliti membandingkan aktivitas hidrolase cPGA pada sel tipe liar dan sel knockout DJ-1. Pada sel knockout DJ-1, aktivitas hidrolase cPGA menurun secara signifikan, yang menyebabkan akumulasi metabolit yang dimodifikasi oleh cPGA. Hal ini menunjukkan bahwa cPGA merupakan target fisiologis utama substrat DJ-1 yang diketahui, dan mutasi yang teramati mengakibatkan hilangnya fungsi hidrolisis cPGA secara menyeluruh.

Merangkum temuan mereka, Moriwaki dan Matsuda menyimpulkan:

"Kami yakin bahwa mekanisme molekuler yang kami sajikan akan memberikan dasar yang kuat bagi studi fungsional DJ-1 di masa mendatang dan akan memperdalam pemahaman kita tentang patogenesis penyakit Parkinson yang diturunkan."