Une étude confirme le rôle du gène DJ-1 dans la maladie de Parkinson

Un gène mutant appelé DJ-1 est à l'origine d'une forme récessive de la maladie de Parkinson, mais son mécanisme moléculaire reste mal compris. Pour comprendre comment DJ-1 hydrolyse l'anhydride 3-phosphoglycérique cyclique, un métabolite cellulaire hautement réactif et toxique, des chercheurs japonais ont réalisé des simulations moléculaires et des analyses biochimiques, dont une analyse des mutations, confirmant le rôle de DJ-1 dans la pathogenèse de la maladie de Parkinson héréditaire.

En révélant les acides aminés impliqués dans son activité catalytique, ces travaux jettent les bases de futures études fonctionnelles du DJ-1. L'étude est publiée dans le Journal of Cell Biology.

Le gène DJ-1/PARK7, associé à une forme familiale récessive de la maladie de Parkinson, code la protéine DJ-1, qui possède une activité antioxydante potentielle et protège les cellules des dommages mitochondriaux. On lui attribue un large éventail de fonctions biochimiques – allant d'un rôle de chaperon régulé par oxydoréduction et de régulateur transcriptionnel à la glyoxylase, à la cystéine protéase et à l'anhydride 3-phosphoglycérique cyclique (cPGA) hydrolase – mais sa fonction exacte reste incertaine.

Cependant, plusieurs données concernant DJ-1 indiquent que son rôle principal pourrait résider dans l'hydrolyse du cPGA. Cette fonction enzymatique est cohérente avec la structure moléculaire de DJ-1, et l'activité ester précédemment rapportée pourrait refléter son rôle dans l'hydrolyse du cPGA. L'instabilité du cPGA rend ce substrat difficile à utiliser expérimentalement, ce qui a limité notre compréhension du rôle de DJ-1 dans la conversion de ce sous-produit réactif de la glycolyse en 3-phosphoglycérate (3PG) détoxifié.

Pour résoudre ce mystère, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Noriyuki Matsuda et le professeur associé Yoshitaka Moriwaki de l'Institut d'études intégrées de Science Tokyo, a combiné des simulations moléculaires avec des analyses biochimiques et a révélé le mécanisme catalytique de l'hydrolyse du cPGA par la protéine DJ-1.

« L'analyse mutationnelle visant à identifier les résidus d'acides aminés essentiels à l'activité de l'hydrolase cPGA s'est jusqu'à présent limitée au résidu C106, et aucun modèle structurel du complexe cPGA–DJ-1 ou du mécanisme d'hydrolyse n'a été proposé », explique Matsuda, décrivant la motivation de son étude.

Pour démontrer le mécanisme moléculaire de l'hydrolyse du cPGA, l'équipe a étudié la structure du complexe DJ-1 avec le cPGA. Des simulations de dynamique moléculaire de ce complexe ont révélé les acides aminés clés qui forment le « site de liaison » DJ-1 et sont responsables de la reconnaissance et de la liaison du cPGA.

Ils ont ensuite muté ces résidus d'acides aminés afin d'élucider les détails du mécanisme d'hydrolyse du cPGA. Ces expériences ont révélé que les résidus E15 et E18 étaient importants pour la formation de la poche catalytique et l'établissement de liaisons hydrogène avec la molécule de cPGA. Les résidus G74, G75 et C106 étaient impliqués dans la stabilisation et la formation de l'intermédiaire tétraédrique dans la voie réactionnelle, tandis que A107 et P158 déterminaient respectivement la formation de liaisons hydrogène avec les groupes fonctionnels du cPGA et la formation du site de liaison du cPGA.

Il est important de noter que les chercheurs ont montré que la suppression de P158 et une mutation faux-sens de A107 (également présente dans la maladie de Parkinson familiale) abolissaient complètement l'activité hydrolase de DJ-1 envers cPGA in vitro, confirmant ainsi les conséquences physiopathologiques des mutations de DJ-1. Sur la base de ces résultats, l'équipe a proposé un nouveau modèle moléculaire en six étapes de la réaction hydrolase de DJ-1.

Pour évaluer l'importance physiologique de DJ-1, les chercheurs ont comparé l'activité de la cPGA hydrolase dans les cellules sauvages et les cellules DJ-1 knock-out. Dans ces cellules, l'activité de la cPGA hydrolase était significativement réduite, entraînant une accumulation de métabolites modifiés par la cPGA. Cela indique que la cPGA est la principale cible physiologique des substrats connus de DJ-1, et les mutations observées entraînent une perte complète de la fonction d'hydrolyse de la cPGA.

Résumant leurs conclusions, Moriwaki et Matsuda concluent:

« Nous pensons que le mécanisme moléculaire que nous présentons fournira une base solide pour les futures études fonctionnelles du DJ-1 et approfondira notre compréhension de la pathogenèse de la maladie de Parkinson héréditaire. »