研究によりパーキンソン病におけるDJ-1遺伝子の役割が確認される

DJ-1と呼ばれる変異遺伝子は劣性パーキンソン病を引き起こしますが、その分子メカニズムは未だ十分に解明されていません。DJ-1が、反応性の高い毒性細胞代謝物である環状3-ホスホグリセリン酸無水物をどのように加水分解するかを解明するため、日本の研究者らは分子シミュレーションと変異解析を含む生化学解析を行い、遺伝性パーキンソン病の発症におけるDJ-1の役割を確認しました。

本研究は、DJ-1の触媒活性に関与するアミノ酸を明らかにすることで、DJ-1の将来の機能研究の基盤を築くものである。本研究はJournal of Cell Biology誌に掲載されている。

劣性遺伝性の家族性パーキンソン病に関連するDJ-1/PARK7遺伝子は、潜在的な抗酸化活性を有し、ミトコンドリアの損傷から細胞を保護するDJ-1タンパク質をコードしています。この遺伝子は、酸化還元制御シャペロン、転写調節因子、グリオキシラーゼ、システインプロテアーゼ、環状3-ホスホグリセリン酸無水物（cPGA）加水分解酵素など、幅広い生化学的機能を持つと考えられていますが、その正確な機能は未だ解明されていません。

しかしながら、DJ-1に関するいくつかの事実は、その主要な役割がcPGAの加水分解にある可能性を示唆しています。この酵素機能はDJ-1の分子構造と一致しており、これまでに報告されているエステル活性はcPGA加水分解における役割を反映している可能性があります。cPGAの不安定性は、この基質を実験的に使用することを困難にしており、解糖系のこの反応性副産物を解毒された3-ホスホグリセリン酸（3PG）に変換するDJ-1の役割に関する理解を限定してきました。

この謎を解くため、東京理科大学総合研究機構の松田憲之教授と森脇良孝准教授が率いる研究チームは、分子シミュレーションと生化学分析を組み合わせ、タンパク質DJ-1によるcPGA加水分解の触媒機構を明らかにしました。

「cPGA加水分解酵素の活性に重要なアミノ酸残基を特定するための変異解析は、これまで残基C106に限られており、cPGA-DJ-1複合体の構造モデルや加水分解機構は提案されていません」と松田氏は研究の動機を説明しています。

CPGA加水分解の分子メカニズムを解明するため、研究チームはDJ-1とcPGAの複合体の構造を研究しました。この複合体の分子動力学シミュレーションにより、DJ-1の「結合部位」を形成し、cPGAの認識と結合を担う重要なアミノ酸が明らかになりました。

次に、これらのアミノ酸残基を変異させ、cPGAの加水分解機構の詳細を解明しました。これらの実験により、残基E15とE18が触媒ポケットの形成とcPGA分子との水素結合の形成に重要であることが明らかになりました。残基G74、G75、C106は反応経路における四面体中間体の安定化と形成に関与し、残基A107とP158はそれぞれcPGA官能基との水素結合の形成とcPGA結合部位の形成を決定しました。

重要な点として、研究者らは、P158の欠失とA107のミスセンス変異（家族性パーキンソン病でもみられる）が、in vitroにおいてcPGAに対するDJ-1加水分解酵素の活性を完全に阻害することを示し、DJ-1変異の病態生理学的影響を裏付けました。これらの結果に基づき、研究チームはDJ-1加水分解酵素反応の新たな6段階分子モデルを提唱しました。

DJ-1の生理学的意義を評価するため、研究者らは野生型細胞とDJ-1ノックアウト細胞におけるcPGA加水分解酵素活性を比較した。DJ-1ノックアウト細胞ではcPGA加水分解酵素活性が著しく低下し、cPGA修飾代謝物の蓄積が見られた。これは、cPGAが既知のDJ-1基質の主要な生理学的標的であり、観察された変異はcPGA加水分解機能の完全な喪失をもたらすことを示唆している。

森脇氏と松田氏は調査結果を要約して次のように結論付けている。

「私たちが提示した分子メカニズムは、DJ-1の将来の機能研究に確固たる基盤を提供し、遺伝性パーキンソン病の発症機序に対する理解を深めるものになると信じています。」