ABSTRACT Mutations that activate LRRK2 protein kinase cause Parkinson’s disease. We have shown previously that Rab10 phosphorylation by LRRK2 enhances its binding to RILPL1 and together, these proteins block cilia formation in a variety of cell types including patient derived iPS cells. We have used live cell fluorescence microscopy to identify, more precisely, the effect of LRRK2 kinase activity on both the formation of cilia triggered by serum starvation and loss of cilia seen upon serum re-addition. LRRK2 activity decreases the overall probability of ciliation without changing the rates of cilia formation in R1441C LRRK2 MEF cells. Cilia loss in these cells is accompanied by ciliary decapitation. Kinase activity does not change the timing or frequency of decapitation or the rate of cilia loss, but increases the percent of cilia that are lost upon serum addition. LRRK2 activity, or overexpression of RILPL1 protein, blocks release of CP110 from the mother centriole, a step normally required for early ciliogenesis. In both cases, failure of CP110 uncapping was due to failure to recruit TTBK2, a kinase needed for CP110 release. In contrast, recruitment of EHD1, another step important for ciliogenesis, appears unaltered. These experiments provide critical detail to our understanding of the cellular consequences of pathogenic LRRK2 mutation, and indicate that LRRK2 blocks ciliogenesis upstream of TTBK2 and enhances the deciliation process in response to serum addition. SIGNIFICANCE STATEMENT Mutations that activate LRRK2 protein kinase cause Parkinson’s disease. LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases, in particular Rab8 and Rab10. Phosphorylated Rabs bind preferentially to a distinct set of effectors and block in primary ciliation in multiple cell types. We show here that the cilia blockade is upstream of the recruitment of TTBK2 kinase to the mother centriole, a step required for the release of CP110 and subsequent cilia formation. This study provides fundamental information related to how pathogenic LRRK2 interferes with normal cell physiology.

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 Previously, we showed that cholinergic interneurons of the dorsal striatum lose cilia in mice harboring the Parkinson’s disease associated, kinase activating, R1441C LRRK2 mutation (Dhekne et al., 2018). Here we show that this phenotype is also seen in two mouse strains carrying the most common human G2019S LRRK2 mutation. Heterozygous loss of the PPM1H phosphatase that is specific for LRRK2-phosphorylated Rab GTPases (Berndsen et al., 2019) yields the same cilia loss phenotype, strongly supporting a connection between Rab GTPase phosphorylation and cilia loss. In addition, astrocytes throughout the striatum show a ciliation defect in LRRK2 and PPM1H -/+ mutant models. Hedgehog signaling requires cilia, and loss of cilia correlates here with a loss in induction of Hedgehog signaling as monitored by in situ hybridization of Gli1 transcripts. These data support a model in which LRRK2 and PPM1H mutant mice struggle to receive and respond to critical Hedgehog signals in the nigral-striatal pathway.

ABSTRACT We report here two genome-wide CRISPR screens carried out to identify genes that when knocked out, alter levels of lysosomal cholesterol or bis(monoacylglycero)phosphate. In addition, these screens were also carried out under conditions of NPC1 inhibition to identify modifiers of NPC1 function in lysosomal cholesterol export. The screens confirm tight co- regulation of cholesterol and bis(monoacylglycero)phosphate levels in cells, and reveal an unexpected role for the ER-localized, SNX13 protein as a negative regulator of lysosomal cholesterol export. In the absence of NPC1 function, SNX13 knockout decreases lysosomal cholesterol, and is accompanied by triacylglycerol-rich lipid droplet accumulation and increased lysosomal bis(monoacylglycero)phosphate. These experiments provide unexpected insight into the regulation of lysosomal lipids and modification of these processes by novel gene products. SUMMARY Genome-wide CRISPR screens carried out with and without NPC1 function identify shared pathways that coordinately control lysosomal cholesterol and bis(monoacylglycero)phosphate. ER-localized SNX13 protein plays an unexpected regulatory role in modifying NPC1 function to regulate cellular cholesterol localization.

Abstract Activating mutations in LRRK2 kinase cause Parkinson’s disease. Pathogenic LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases and blocks ciliogenesis. Thus, defining novel phospho-Rab interacting partners is critical to our understanding of the molecular basis of LRRK2 pathogenesis. RILPL2 binds with strong preference to LRRK2-phosphorylated Rab8A and Rab10. RILPL2 is a binding partner of the motor protein and Rab effector, Myosin Va. We show here that the globular tail domain of Myosin Va also contains a high affinity binding site for LRRK2-phosphorylated Rab10, and certain tissue-specific Myosin Va isoforms strongly prefer to bind phosphorylated Rab10. In the presence of pathogenic LRRK2, RILPL2 relocalizes to the peri-centriolar region in a phosphoRab10- and Myosin Va-dependent manner. In the absence of phosphoRab10, expression of RILPL2 or depletion of Myosin Va increase centriolar RILPL2 levels, and either condition is sufficient to block ciliogenesis in RPE cells. These experiments show that LRRK2 generated phosphoRab10 dramatically redistributes Myosin Va-RILPL2 complexes to the mother centriole, which may sequester Myosin Va and RILPL2 in a manner that blocks their normal roles in ciliogenesis.

ABSTRACT Background The endo-lysosomal phospholipid, bis(monoacylglycerol)phosphate (BMP), is aberrantly high in the urine of Parkinson’s patients with mutations in genes encoding leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) and glucocerebrosidase (GCase). Because BMP resides on and regulates the biogenesis of endo-lysosomal intralumenal membranes (exosomes when released), we hypothesized that elevated urinary BMP may be driven by increased exocytosis of BMP-enriched exosomes. Objective Our aim was to explore the contribution of LRRK2 and GCase activities in the regulation of BMP metabolism and release. Methods Microscopy and biochemical assays were used to analyze antibody-accessible BMP and exosome release in wild type (WT) and R1441G LRRK2–expressing mouse embryonic fibroblast cells. Lipidomics analysis was conducted to measure BMP and lipid content in cells and isolated exosomes. In these experiments, we tested the effects of LRRK2 and GCase inhibitors, MLi-2 and conduritol β-epoxide respectively, to assess regulation of BMP by LRRK2 and GCase. Results Alterations in antibody-accessible BMP and endo-lysosome morphology were detected in R1441G LRRK2 cells. Lipidomics analysis revealed increased BMP content in mutant LRRK2 MEFs compared to WT MEFs. Inhibition of LRRK2 partially restored cellular and exosome-associated BMP levels; abrogation of GCase activity had the opposite effect. Metabolic labeling experiments confirmed that BMP synthesis is not influenced by LRRK2 or GCase activities. Pharmacological modulation of exosome release further confirmed exosome-mediated BMP exocytosis. Conclusions LRRK2 regulates BMP in cells and its release in exosomes, which can be further modulated by GCase activity. These results have implications for the use of exosomal BMP as a Parkinson’s disease biomarker.

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.

Transport of LDL-derived cholesterol from lysosomes into the cytoplasm requires NPC1 protein; NPC1L1 mediates uptake of dietary cholesterol. We introduced single disulfide bonds into NPC1 and NPC1L1 to explore the importance of inter-domain dynamics in cholesterol transport. Using a sensitive method to monitor lysosomal cholesterol efflux, we find that NPC1's N-terminal domain need not release from the rest of the protein for efficient cholesterol export. Either introducing single disulfide bonds to constrain lumenal/extracellular domains or shortening a cytoplasmic loop abolishes transport activity by both NPC1 and NPC1L1. The widely prescribed cholesterol uptake inhibitor, Ezetimibe, blocks NPC1L1; we show that interface residues that lie at the interface between NPC1L1's three extracellular domains comprise the drug's binding site. These data support a model in which cholesterol passes through the cores of NPC1/NPC1L1 proteins; concerted movement of various domains is needed for transfer and Ezetimibe blocks transport by binding to multiple domains simultaneously.

The Parkinsons VPS35[D620N] mutation causes lysosome dysfunction enhancing LRRK2 kinase activity. We find the VPS35[D620N] mutation alters expression of about 350 lysosomal proteins and stimulates LRRK2 recruitment and phosphorylation of Rab proteins at the lysosome. This recruits the phosphoRab effector protein RILPL1 to the lysosome where it binds to the lysosomal integral membrane protein TMEM55B. We identify highly conserved regions of RILPL1 and TMEM55B that interact and design mutations that block binding. In mouse fibroblasts, brain, and lung, we demonstrate that the VPS35 [D620N] mutation reduces RILPL1 levels, in a manner reversed by LRRK2 inhibition. Knock-out of RILPL1 enhances phosphorylation of Rab substrates and knock-out of TMEM55B increases RILPL1 levels. The lysosomotropic agent, LLOMe also induced LRRK2 kinase mediated association of RILPL1 to the lysosome, but to a lower extent than the D620N mutation. Our study uncovers a pathway through which dysfunctional lysosomes resulting from the VPS35[D620N] mutation recruit and activate LRRK2 on the lysosomal surface, driving assembly of the RILPL1-TMEM55B complex.

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.