Protein aggregates and damaged organelles are tagged with ubiquitin chains to trigger selective autophagy. To initiate mitophagy, the ubiquitin kinase PINK1 phosphorylates ubiquitin to activate the ubiquitin ligase parkin, which builds ubiquitin chains on mitochondrial outer membrane proteins, where they act to recruit autophagy receptors. Using genome editing to knockout five autophagy receptors in HeLa cells, here we show that two receptors previously linked to xenophagy, NDP52 and optineurin, are the primary receptors for PINK1- and parkin-mediated mitophagy. PINK1 recruits NDP52 and optineurin, but not p62, to mitochondria to activate mitophagy directly, independently of parkin. Once recruited to mitochondria, NDP52 and optineurin recruit the autophagy factors ULK1, DFCP1 and WIPI1 to focal spots proximal to mitochondria, revealing a function for these autophagy receptors upstream of LC3. This supports a new model in which PINK1-generated phospho-ubiquitin serves as the autophagy signal on mitochondria, and parkin then acts to amplify this signal. This work also suggests direct and broader roles for ubiquitin phosphorylation in other autophagy pathways. The PINK1 ubiquitin kinase is shown to recruit the two autophagy receptors NDP52 and OPTN to mitochondria to activate mitophagy directly, independently of the ubiquitin ligase parkin; once recruited to mitochondria, NDP52 and OPTN recruit autophagy initiation components, and parkin may amplify the phospho-ubiquitin signal generated by PINK1, resulting in robust autophagy induction. As in other forms of selective autophagy, during mitophagy the damaged cargo — the mitochondrion — is tagged with ubiquitin chains for recognition and subsequent degradation. Specifically, the enzyme PINK1 phosphorylates ubiquitin as part of the process to activate the ubiquitin ligase enzyme parkin. Consequently, parkin can build ubiquitin chains on mitochondrial outer membrane proteins to recruit autophagy receptors. Richard Youle and colleagues report an additional layer of regulatory complexity in this pathway, with a cellular role for phosphorylated ubiquitin. Using genome editing to knockout multiple autophagy receptors, the authors find that PINK1 recruits only two such receptors, NDP52 and optineurin, to mitochondria to directly activate mitophagy, independent of parkin. NDP52 and optineurin then recruit other autophagy components. These observations call for a revision of the current model of the role of parkin in mitophagy, suggesting that it amplifies the phospho-ubiquitin signal generated by PINK1 to signal autophagy.

PINK1 is a mitochondrial kinase mutated in some familial cases of Parkinson’s disease. It has been found to work in the same pathway as the E3 ligase Parkin in the maintenance of flight muscles and dopaminergic neurons in Drosophila melanogaster and to recruit cytosolic Parkin to mitochondria to mediate mitophagy in mammalian cells. Although PINK1 has a predicted mitochondrial import sequence, its cellular and submitochondrial localization remains unclear in part because it is rapidly degraded. In this study, we report that the mitochondrial inner membrane rhomboid protease presenilin-associated rhomboid-like protein (PARL) mediates cleavage of PINK1 dependent on mitochondrial membrane potential. In the absence of PARL, the constitutive degradation of PINK1 is inhibited, stabilizing a 60-kD form inside mitochondria. When mitochondrial membrane potential is dissipated, PINK1 accumulates as a 63-kD full-length form on the outer mitochondrial membrane, where it can recruit Parkin to impaired mitochondria. Thus, differential localization to the inner and outer mitochondrial membranes appears to regulate PINK1 stability and function.

PINK1 kinase activates the E3 ubiquitin ligase Parkin to induce selective autophagy of damaged mitochondria. However, it has been unclear how PINK1 activates and recruits Parkin to mitochondria. Although PINK1 phosphorylates Parkin, other PINK1 substrates appear to activate Parkin, as the mutation of all serine and threonine residues conserved between Drosophila and human, including Parkin S65, did not wholly impair Parkin translocation to mitochondria. Using mass spectrometry, we discovered that endogenous PINK1 phosphorylated ubiquitin at serine 65, homologous to the site phosphorylated by PINK1 in Parkin's ubiquitin-like domain. Recombinant TcPINK1 directly phosphorylated ubiquitin and phospho-ubiquitin activated Parkin E3 ubiquitin ligase activity in cell-free assays. In cells, the phosphomimetic ubiquitin mutant S65D bound and activated Parkin. Furthermore, expression of ubiquitin S65A, a mutant that cannot be phosphorylated by PINK1, inhibited Parkin translocation to damaged mitochondria. These results explain a feed-forward mechanism of PINK1-mediated initiation of Parkin E3 ligase activity.

Mitochondria sustain damage with aging, and the resulting mitochondrial dysfunction has been implicated in a number of diseases including Parkinson disease. We recently demonstrated that the E3 ubiquitin ligase Parkin, which is linked to recessive forms of parkinsonism, causes a dramatic increase in mitophagy and a change in mitochondrial distribution, following its translocation from the cytosol to mitochondria. Investigating how Parkin induces these changes may offer insight into the mechanisms that lead to the sequestration and elimination of damaged mitochondria. We report that following Parkin’s translocation from the cytosol to mitochondria, Parkin (but not a pathogenic mutant) promotes the K63-linked polyubiquitination of mitochondrial substrate(s) and recruits the ubiquitin- and LC3-binding protein, p62/SQSTM1, to mitochondria. After its recruitment, p62/SQSTM1 mediates the aggregation of dysfunctional mitochondria through polymerization via its PB1 domain, in a manner analogous to its aggregation of polyubiquitinated proteins. Surprisingly and in contrast to what has been recently reported for ubiquitin-induced pexophagy and xenophagy, p62 appears to be dispensable for mitophagy. Similarly, mitochondrial-anchored ubiquitin is sufficient to recruit p62 and promote mitochondrial clustering, but does not promote mitophagy. Although VDAC1 (but not VDAC2) is ubiquitinated following mitochondrial depolarization, we find VDAC1 cannot fully account for the mitochondrial K63-linked ubiquitin immunoreactivity observed following depolarization, as it is also observed in VDAC1/3-/- mouse embryonic fibroblasts. Additionally, we find VDAC1 and VDAC3 are dispensable for the recruitment of p62, mitochondrial clustering and mitophagy. These results demonstrate that mitochondria are aggregated by p62, following its recruitment by Parkin in a VDAC1-independent manner. They also suggest that proteins other than p62 are likely required for mitophagy downstream of Parkin substrates other than VDAC1.

Mutations in the mitochondrial kinase PINK1 and the cytosolic E3 ligase Parkin can cause Parkinson's disease. Damaged mitochondria accumulate PINK1 on the outer membrane where, dependent on kinase activity, it recruits and activates Parkin to induce mitophagy, potentially maintaining organelle fidelity. How PINK1 recruits Parkin is unknown. We show that endogenous PINK1 forms a 700 kDa complex with the translocase of the outer membrane (TOM) selectively on depolarized mitochondria whereas PINK1 ectopically targeted to the outer membrane retains association with TOM on polarized mitochondria. Inducibly targeting PINK1 to peroxisomes or lysosomes, which lack a TOM complex, recruits Parkin and activates ubiquitin ligase activity on the respective organelles. Once there, Parkin induces organelle selective autophagy of peroxisomes but not lysosomes. We propose that the association of PINK1 with the TOM complex allows rapid reimport of PINK1 to rescue repolarized mitochondria from mitophagy, and discount mitochondrial-specific factors for Parkin translocation and activation.

Mitophagy is the elimination of damaged mitochondria by the autophagosome regulated by the ubiquitin ligase, parkin and the kinase PINK1; a genome-wide RNAi screen with high-content microscopy has identified new genes that have an upstream role in parkin translocation to the mitochondria. Mitophagy is the specific autophagic elimination of damaged mitochondria and is regulated by the ubiquitin ligase parkin and by PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1). Mutations in the genes encoding these proteins have been linked to Parkinson's disease. Here Richard Youle and colleagues use a genome-wide RNA-interference screen to identify regulators affecting parkin translocation to damaged mitochondria. The screen and experimental verification demonstrate unique molecular functions for HSPA1L, BAG4 and SIAH3, as well as a crucial role for TOMM7 in PINK1 stabilization on the outer mitochondrial membrane. This work provides a rich resource for the study of mitochondrial maintenance. An increasing body of evidence points to mitochondrial dysfunction as a contributor to the molecular pathogenesis of neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease1. Recent studies of the Parkinson’s disease associated genes PINK1 (ref. 2) and parkin (PARK2, ref. 3) indicate that they may act in a quality control pathway preventing the accumulation of dysfunctional mitochondria4,5,6,7,8. Here we elucidate regulators that have an impact on parkin translocation to damaged mitochondria with genome-wide small interfering RNA (siRNA) screens coupled to high-content microscopy. Screening yielded gene candidates involved in diverse cellular processes that were subsequently validated in low-throughput assays. This led to characterization of TOMM7 as essential for stabilizing PINK1 on the outer mitochondrial membrane following mitochondrial damage. We also discovered that HSPA1L (HSP70 family member) and BAG4 have mutually opposing roles in the regulation of parkin translocation. The screens revealed that SIAH3, found to localize to mitochondria, inhibits PINK1 accumulation after mitochondrial insult, reducing parkin translocation. Overall, our screens provide a rich resource to understand mitochondrial quality control.

Abstract Sterile alpha and TIR motif containing 1 (SARM1) is a critical regulator of axon degeneration that acts through hydrolysis of NAD + following injury. Recent work has defined the mechanisms underlying SARM1’s catalytic activity and advanced our understanding of SARM1 function in axons, yet the role of SARM1 signaling in other compartments of neurons is still not well understood. Here we show in cultured hippocampal neurons that endogenous SARM1 is present in axons, dendrites and cell bodies and that direct activation of SARM1 by the neurotoxin Vacor causes not just axon degeneration, but degeneration of all neuronal compartments. In contrast to the axon degeneration pathway defined in dorsal root ganglia (DRGs), SARM1-dependent hippocampal axon degeneration in vitro is not sensitive to calpain inhibition whereas dendrite degeneration downstream of SARM1 is calpain-dependent in this cell type. This data indicates SARM1 plays a critical role in neurodegeneration outside of axons and elucidates divergent pathways leading to degeneration in hippocampal axons and dendrites.

The integrated stress response (ISR) is a conserved pathway in eukaryotic cells that is activated in response to multiple sources of cellular stress. Although acute activation of this pathway restores cellular homeostasis, intense or prolonged ISR activation perturbs cell function and may contribute to neurodegeneration. DNL343 is an investigational CNS-penetrant small molecule ISR inhibitor designed to activate the eukaryotic initiation factor 2B (eIF2B) and suppress aberrant ISR activation. DNL343 reduced CNS ISR activity and neurodegeneration in a dose-dependent manner in two established in vivo models, the optic nerve crush injury and an eIF2B loss of function (LOF) mutant, demonstrating neuroprotection in both and preventing motor dysfunction in the LOF mutant mouse. Treatment with DNL343 at a late stage of disease in the LOF model reversed elevation in plasma biomarkers of neuroinflammation and neurodegeneration and prevented premature mortality. Several proteins and metabolites that are dysregulated in the LOF mouse brains were normalized by DNL343 treatment, and this response is detectable in human biofluids. Several of these biomarkers show differential levels in CSF and plasma from patients with vanishing white matter disease (VWMD), a neurodegenerative disease that is driven by eIF2B LOF and chronic ISR activation, supporting their potential translational relevance. This study demonstrates that DNL343 is a brain penetrant ISR inhibitor capable of attenuating neurodegeneration in mouse models and identifies several biomarker candidates that may be used to assess treatment responses in the clinic.

Abstract Antisense oligonucleotides (ASO) are promising therapies for neurological disorders, though they are unable to cross the blood-brain barrier (BBB) and must be delivered directly to the central nervous system (CNS). Here, we use a human transferrin receptor (TfR)-binding molecule to transport ASO across the BBB in mice and non-human primates, termed oligonucleotide transport vehicle (OTV). Systemically delivered OTV drives significant, cumulative, and sustained knockdown of the ASO target across multiple CNS regions and all major cell types. Further, systemic OTV delivery enables more uniform ASO biodistribution and knockdown compared to two other clinically relevant ASO delivery routes: a standard, high affinity TfR antibody, or direct ASO delivery to the CSF. Together, our data support systemically delivered OTV as a potential therapeutic platform for neurological disorders. One-Sentence Summary Systemically dosed OTV delivered via TfR1 targeting shows widespread and cumulative target knockdown in the mouse and NHP CNS.