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.

Nerve growth factor (NGF) exerts multiple functions on target neurons throughout development. The recent discovery of a point mutation leading to a change from arginine to tryptophan at residue 100 in the mature NGFβ sequence (NGFR100W) in patients with hereditary sensory and autonomic neuropathy, type V (HSAN V), made it possible to distinguish the signaling mechanisms that lead to two functionally different outcomes of NGF: trophic versus nociceptive. We performed extensive biochemical, cellular and live imaging experiments to examine the binding and signaling properties of NGFR100W. Our results show that, similar to the wildtype NGF (wtNGF), the naturally occurring NGFR100W mutant was capable of binding to and activating the TrkA receptor and its downstream signaling pathways to support neuronal survival and differentiation. However, NGFR100W failed to bind and stimulate the 75kD neurotrophic factor receptor (p75NTR)-mediated signaling cascades (i.e. the RhoA-Cofilin pathway). Intraplantar injection of NGFR100W into adult rats induced neither TrkA-mediated thermal nor mechanical acute hyperalgesia, but retained the ability to induce chronic hyperalgesia based on agonism for TrkA signaling. Taken together, our studies provide evidence that NGFR100W retains trophic support capability through TrkA and one aspect of its nociceptive signaling, but fails to engage p75NTR signaling pathways. Our findings suggest that wtNGF acts through TrkA to regulate the delayed priming of nociceptive responses. The integration of both TrkA and p75NTR signaling thus appears to regulate neuroplastic effects of NGF in peripheral nociception.

Abstract Variants in the leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene are associated with increased risk for familial and sporadic Parkinson’s disease (PD). Pathogenic variants in LRRK2, including the common variant G2019S, result in increased LRRK2 kinase activity, supporting the therapeutic potential of LRRK2 kinase inhibitors for PD. To better understand the role of LRRK2 in disease and to support the clinical development of LRRK2 inhibitors, quantitative and high-throughput assays to measure LRRK2 levels and activity are needed. We developed and applied such assays to measure the levels of LRRK2 as well as the phosphorylation of LRRK2 itself or one of its substrates, Rab10 (pT73 Rab10). We observed increased LRRK2 activity in various cellular models of disease, including iPSC-derived microglia, as well as in human subjects carrying disease-linked variant in LRRK2 (G2019S). Capitalizing on the high-throughput and sensitive nature of these assays, we detected a significant reduction in LRRK2 activity in subjects carrying missense variants in LRRK2 associated with reduced disease risk. Finally, we optimized these assays to enable analysis of LRRK2 activity following inhibition in human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and whole blood, demonstrating their potential utility as biomarkers to assess changes in LRRK2 expression and activity in the clinic.