A cholesterol-mTORC1 axis may play a role in metabolic homeostasis in normal and disease states.

Abstract Lysosomal dysfunction is a hallmark of Parkinson’s disease (PD), and variants in several PD-associated genes, including LRRK2 , perturb lysosomal homeostasis. Based on this, LRRK2 kinase inhibition is being explored as a therapeutic approach for the treatment of PD. LRRK2 inhibitors reduce levels of BMP, an endolysosomal lipid involved in glycosphingolipid (GSL) catabolism, in urine from preclinical models and clinical subjects, however, the mechanisms by which LRRK2 regulates BMP and the functional significance of this change to disease are undefined. We establish that LRRK2 regulates secretion of BMP- and GSL-containing vesicles from kidney into urine and modulates BMP and GSL levels in the brain. BMP accumulates within lysosomes as a secondary response to LRRK2’s effects on the activity of glucocerebrosidase (GCase), a PD-linked enzyme involved in GSL catabolism. Alterations in BMP and GCase substrate turnover are observed in CSF from LRRK2-PD patients, highlighting the relevance of LRRK2-dependent lysosomal dysfunction in disease.

Abstract Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) variants associated with Parkinson’s disease (PD) and Crohn’s disease lead to increased phosphorylation of its Rab substrates. While it has been recently shown that perturbations in cellular homeostasis including lysosomal damage and stress can increase LRRK2 activity and localization to lysosomes, the molecular mechanisms by which LRRK2 activity is regulated have remained poorly defined. We performed a targeted siRNA screen to identify regulators of LRRK2 activity and identified Rab12 as a novel modulator of LRRK2-dependent phosphorylation of one of its substrates, Rab10. Using a combination of imaging and immunopurification methods to isolate lysosomes, we demonstrated that Rab12 is actively recruited to damaged lysosomes and leads to a local and LRRK2-dependent increase in Rab10 phosphorylation. PD-linked variants, including LRRK2 R1441G and VPS35 D620N, lead to increased recruitment of LRRK2 to the lysosome and a local elevation in lysosomal levels of pT73 Rab10. Together, these data suggest a conserved mechanism by which Rab12, in response to damage or expression of PD-associated variants, promotes the recruitment of LRRK2 and phosphorylation of its Rab substrate(s) at the lysosome.

ABSTRACT Lysosomes promote cellular homeostasis through macromolecular hydrolysis within their lumen and metabolic signaling by the mTORC1 kinase on their limiting membranes. Both hydrolytic and signaling functions require precise regulation of lysosomal cholesterol content. In Niemann-Pick type C (NPC), loss of the cholesterol exporter, NPC1, causes cholesterol accumulation within lysosomes, leading to mTORC1 hyperactivation, disrupted mitochondrial function and neurodegeneration. The compositional and functional alterations in NPC lysosomes, and how aberrant cholesterol-mTORC1 signaling contributes to organelle pathogenesis are not understood. Through proteomic profiling of NPC lysosomes, we find pronounced proteolytic impairment compounded with hydrolase depletion and enhanced membrane damage. Genetic and pharmacologic mTORC1 inhibition restores lysosomal proteolysis without correcting cholesterol storage, implicating aberrant mTORC1 as a pathogenic driver downstream of cholesterol accumulation. Consistently, mTORC1 inhibition ameliorates mitochondrial dysfunction in a neuronal model of NPC. Thus, cholesterol-mTORC1 signaling controls organelle homeostasis and is a targetable pathway in NPC.