Abstract Activating mutations in the Leucine Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) cause Parkinson’s disease and previously we showed that activated LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases (Steger et al., 2017). Moreover, Golgi-associated Rab29 can recruit LRRK2 to the surface of the Golgi and activate it there for both auto- and Rab substrate phosphorylation. Here we define the precise Rab29 binding region of the LRRK2 Armadillo domain between residues 360-450 and show that this domain, termed “Site #1”, can also bind additional LRRK2 substrates, Rab8A and Rab10. Moreover, we identify a distinct, N-terminal, higher affinity interaction interface between LRRK2 phosphorylated Rab8 and Rab10 termed “Site #2”, that can retain LRRK2 on membranes in cells to catalyze multiple, subsequent phosphorylation events. Kinase inhibitor washout experiments demonstrate that rapid recovery of kinase activity in cells depends on the ability of LRRK2 to associate with phosphorylated Rab proteins, and phosphorylated Rab8A stimulates LRRK2 phosphorylation of Rab10 in vitro. Reconstitution of purified LRRK2 recruitment onto planar lipid bilayers decorated with Rab10 protein demonstrates cooperative association of only active LRRK2 with phospho-Rab10-containing membrane surfaces. These experiments reveal a feed-forward pathway that provides spatial control and membrane activation of LRRK2 kinase activity.

ABSTRACT PPM1H phosphatase reverses Parkinson’s disease-associated, LRRK2-mediated Rab GTPase phosphorylation. We show here that PPM1H relies on an N-terminal amphipathic helix for Golgi localization. The amphipathic helix enables PPM1H to bind to liposomes in vitro, and small, highly curved liposomes stimulate PPM1H activity. We artificially anchored PPM1H to the Golgi, mitochondria, or mother centriole. Our data show that regulation of Rab10 GTPase phosphorylation requires PPM1H access to Rab10 at or near the mother centriole. Moreover, poor co-localization of Rab12 explains in part why it is a poor substrate for PPM1H in cells but not in vitro. These data support a model in which localization drives PPM1H substrate selection and centriolar PPM1H is critical for regulation of Rab GTPase-regulated ciliogenesis. Moreover, Golgi localized PPM1H maintains active Rab GTPases on the Golgi to carry out their non-ciliogenesis-related functions in membrane trafficking. Significance Statement Pathogenic, hyperactive LRRK2 kinase is strongly linked to Parkinson’s disease and LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases that are master regulators of membrane trafficking. PPM1H phosphatase specifically dephosphorylates Rab8A and Rab10, the major LRRK2 substrates. Here we provide novel cell biological and biochemical insight related to the localization and activation of PPM1H phosphatase. Understanding how PPM1H modulates LRRK2 activity is of fundamental interest and also important, as activators of PPM1H may eventually benefit Parkinson’s disease patients.

Abstract Activating mutations in the Leucine Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) cause Parkinson’s disease. LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases, particularly Rab10 and Rab8A, and we showed previously that phosphoRabs play an important role in LRRK2 membrane recruitment and activation (Vides et al., 2022). To learn more about LRRK2 pathway regulation, we carried out an unbiased, CRISPR-based genome-wide screen to identify modifiers of cellular phosphoRab10 levels. A flow cytometry assay was developed to detect changes in phosphoRab10 levels in pools of mouse NIH-3T3 cells harboring unique CRISPR guide sequences. Multiple negative and positive regulators were identified; surprisingly, knockout of the Rab12 gene was especially effective in decreasing phosphoRab10 levels in multiple cell types and knockout mouse tissues. Rab-driven increases in phosphoRab10 were specific for Rab12, LRRK2 dependent and PPM1H phosphatase reversible; they were seen with wild type and pathogenic G2019S and R1441C LRRK2. AlphaFold modeling revealed a novel Rab12 binding site in the LRRK2 Armadillo domain and we show that residues predicted to be essential for Rab12 interaction at this site influence overall phosphoRab levels in a manner distinct from Rab29 activation of LRRK2. Our data support a model in which Rab12 binding to a new site in the LRRK2 Armadillo domain activates LRRK2 kinase for Rab phosphorylation and could serve as a new therapeutic target for a novel class of LRRK2 inhibitors that do not target the kinase domain.