ABSTRACT Loss-of-function mutations in the genes encoding PINK1 and PRKN result in early-onset Parkinson disease (EOPD). Together the encoded enzymes direct a neuroprotective pathway that ensures the elimination of damaged mitochondria via autophagy. We performed a genome-wide high content imaging miRNA screen for inhibitors of the PINK1-PRKN pathway and identified all three members of the miRNA family 29 (miR-29). Using RNAseq we identified target genes and found that siRNA against ATG9A phenocopied the effects of miR-29 and inhibited the initiation of PINK1-PRKN mitophagy. Furthermore, we discovered two rare, potentially deleterious, missense variants (p.R631W and p.S828L) in our EOPD cohort and tested them experimentally in cells. While expression of wild-type ATG9A was able to rescue the effects of miR-29a, the EOPD-associated variants behaved like loss-of-function mutations. Together, our study validates miR-29 and its target gene ATG9A as novel regulators of mitophagy initiation. It further serves as proof-of-concept of finding novel, potentially disease-causing EOPD-linked variants specifically in mitophagy regulating genes. The nomination of genetic variants and biological pathways is important for the stratification and treatment of patients that suffer from devastating diseases, such as EOPD.

Abstract Many cells can generate complementary traveling waves of actin filaments (F-actin) and cytoskeletal regulators. This phenomenon, termed cortical excitability, results from coupled positive and negative feedback loops of cytoskeletal regulators. The nature of these feedback loops, however, remains poorly understood. We assessed the role of the Rho GAP RGA-3/4 in the cortical excitability that accompanies cytokinesis in both frog and starfish. RGA-3/4 localizes to the cytokinetic apparatus, “chases” Rho waves in an F-actin-dependent manner and, when co-expressed with the Rho GEF Ect2, is sufficient to convert the normally quiescent, immature Xenopus oocyte cortex into a dramatically excited state. Experiments and modeling show that changing the ratio of RGA-3/4 to Ect2 produces a range of cortical behaviors from pulses to complex waves of Rho activity. We conclude that RGA-3/4, Ect2, Rho and F-actin form the core of a circuit that drives a diverse range of cortical behaviors, and demonstrate that the immature oocyte is a powerful model for characterizing these dynamics. Summary Michaud et al. identify Ect2 and RGA-3/4 as core components of the cortical excitability circuit associated with cytokinesis. Additionally, they demonstrate that the immature Xenopus oocyte is a powerful model for characterizing excitable dynamics.

Abstract Living systems are driven far from thermodynamic equilibrium through the continuous consumption of ambient energy 1 . In the cell cortex, this energy is invested in the formation of diverse patterns in chemical and mechanical activities, whose unique spatial and temporal dynamics determine cell phenotypes and behaviors 2-6 . However, how cells partition internal energy between chemical and mechanical work is unknown 7-9 . Here we measured the entropy production rate (EPR) of both the chemical and mechanical subsystems of the cell cortex across a broad range of periodic patterns as the system is driven further from equilibrium via manipulation of the Rho GTPase pathway, which controls cortical actin filaments (F-actin) and myosin-II. We find that at lower levels of Rho GAP (GTPase activating protein) expression, which produce pulses or “choppy” Rho and F-actin waves, energy is comparably partitioned between the chemical and mechanical subsystems and is subject to the constraint of Onsager reciprocity. Within the range of reciprocity, the EPR is maximized in choppy waves that resemble the waves associated with cell division 3,10 . However, as the cortex is driven even further from equilibrium into elaborate labyrinthine or spiral traveling wave trains via increased GAP expression, reciprocity is broken, marking an increasingly differential partitioning of energy and an uncoupling of chemical and mechanical activities. We further demonstrate that energy partitioning and reciprocity are determined by the competition between the timescales of chemical reaction and mechanical relaxation. These results indicate that even within coupled cellular subsystems, both the relative proportions of energy partitioned to each subsystem and the ultimate phenotypic outcome vary dramatically as a function of the overall energy investment.