Human DJ-1, conserved in C. elegans, is known as one of early-onset genes of Parkinson’s disease despite of its obscure biochemical function. Methylglyoxal (MG), an intracellular metabolite from glucose, has been associated with neurodegenerative diseases including Parkinson’s disease. In recent, human DJ-1 is characterized as a novel glyoxalase which detoxifies glyoxal (GO) or methylglyoxal without any cofactors. We investigated effects of GO and MG in vivo, especially on behavior of Caenorhabditis elegans. In order to investigate how DJ-1 substrates, MG and glyoxal (GO), affect neuronal system, we use nematode ‘Caenorhabditis elegans’ (C. elegans) which is the only organism with completed connectome. C. elegans has an advantage in application to human for its conserved nerve system such as GABA signaling and glyoxalase system in human. MG and GO always produced, especially in neurons, are often referred as toxins. $\gamma$ -Aminobutyric acid (GABA) was known to act as a major neuromodulator of neuromuscular junction (NMJ) in C. elegans, regulating its coordinate movements.
We found that GABA molecule itself, as well as MG and GO, change locomotion in dose-dependent manner. The GABAergic effects were observed by altering the physiological level of MG/GO, resulting in changes of behaviors, including the swimming cycle and speed. We found that GABA molecule itself, as well as MG and GO, change locomotion in dose-dependent manner. The GABAergic effects were observed by altering the physiological level of MG/GO, resulting in changes of behaviors, including the swimming cycle and speed. The effective range of glyoxals for speed change was different from that of toxicity. It implies that MG and GO may have distinct functions, not just toxins. The unc-49 and gbb-1/2 genes, encoding the $GABA_A$ and $GABA_B$ receptors of C. elegans, regulate body posture in locomotion in order to achieve coordinate behavior. The speed decrease by GO was not observed in both $\Delta$ gbb-1 and $\Delta$ gbb-2 strains, implying that gbb-1/2 are involved in the effect of GO. In addition, the $\Delta$ gbb-1 showed speed decrease when rescued by gbb-1 gene, which was observed in WT. MG also affects speed, although exact target of MG is obscure. We also observed combined and additive effects of GO and saclofen, a competitive $GABA_B$ receptor antagonist, likely suggesting that their effects merge in this receptor. Speed decrease is also observed in knock-out mutants of djr-1.1 and djr-1.2, which were reported as homologs of hDJ-1 in C. elegans. Therefore, we suggest the probability that non-motor symptoms of Parkinson’s disease can be attributed to GABAergic phenotypes caused by MG and GO accumulated by DJ-1 malfunction.
인간 DJ-1은 그 생화학적 기능은 불명확하나, 파킨슨병의 초기원인유전자 중 하나이다. 또한 메틸글리옥살 (methylglyoxal, MG)은 세포 내 포도당유래 대사부산물로서, 파킨슨 환자에게서 많은 양이 존재한다고 종종 보고되었다. 최근에 인간 DJ-1은 어떠한 조효소 없이도 글리옥살(glyoxal, GO)과 메틸글리옥살(methylglyoxal, MG)를 해독하는 새로운 글리옥살레이즈라는 사실이 확인되었다. 본 연구를 통해 신경계에 미치는 MG과 GO의 역할을 확인하고 생체 내 작용 메커니즘을 밝히고자 하였다. DJ-1의 기질인 MG과 GO가 신경계에 미치는 영향을 밝히고자 유일하게 뇌 신경망 지도인 커넥톰(connectome)이 밝혀져 있는 실험 모델인 예쁜꼬마선충을 이용하였다. 예쁜꼬마선충은 뇌가 없고 신경절만 존재하여 실험 동물로서의 윤리적 문제가 적으며, 글리옥살레이즈 시스템이 인간에서도 상동성이 보존되어 적용이 용이하다. MG과 GO는 항상 체내에서, 특히 신경세포에서 생성되며 단순한 독소가 아닌 어떠한 기능을 지닐 것으로 추정된다. 한편 가바($\gamma$-Aminobutyric acid GABA)는 예쁜꼬마선충 신경근 접합부에서 몸의 움직임을 조정하는 주요 신경조절물질로 작용한다고 알려져 있다.
흥미롭게도 MG과 GO가 GABA처럼 투여 량에 비례하여 행동변화를 일으킨다는 것을 확인하였다. 생리작용 농도범위에서 MG나 GO를 처리시 헤엄주기나 이동속도, 방향전환양상이 GABA와 유사하게 변하였다. 그 중 이동속도 변화를 일으키는 투여 농도는 독성을 나타내는 농도와 다르다는 사실도 확인하였다. 즉, MG과 GO는 GABA와 밀접한 연관이 있으며, 단순한 대사부산물이 아니라 신경조절에 관여한다는 것을 파악하였다. GABA 수용체는 GABA에 의한 신경조절을 첫 번째로 매개하는 단백질로 $GABA_A$ 수용체와 $GABA_B$ 수용체로 주로 분류된다. 예쁜꼬마선충에서 $GABA_A$ 수용체와 $GABA_B$ 수용체의 유전자인 unc-49와 gbb-1/2는 이동 시 몸의 움직임을 균형 있게 조절하는 역할을 한다. GO에 의한 이동속도감소는 $\Delta$ gbb-1 and $\Delta$ gbb-2 에서는 보이지 않았고, 이는 gbb-1/2가 GO의 효과를 매개한다는 것을 암시한다. 또한 $\Delta$ gbb-1 에서 gbb-1 유전자를 다시 발현시킨 예쁜꼬마선충은 야생형과 같이 GO에 의해 이동속도가 감소하였고, 이는 앞선 결과를 뒷받침한다. 반면에 MG는 GABA처럼 이동속도 감소를 일으키지만, 그것을 매개하는 생체 내 표적이 무엇인지 아직까지 모호한 상태이다. $GABA_B$ 수용체에 대한 경쟁적 저해제로 알려진 saclofen과 GO를 함께 투여한 실험과 여러 수용체 변종에서의 실험을 통해 GO가 GABAB 수용체에 특이적으로 작용한다는 것을 밝혀냈다. 또한 예쁜꼬마선충의 DJ-1에 해당한다고 보고된 djr-1.1/1.2 유전자가 없을 때 이동속도가 감소하는 것이 관찰되었다. 이를 통해 DJ-1이상으로 축적된 MG과 GO가 GABA신호전달을 통해 파킨슨병의 비운동성 증상의 원인일 수도 있다는 새로운 관점을 제시하였다.
