Abstract Loss-of-function mutations in the human PINK1 kinase ( h PINK1) are causative of early-onset Parkinson’s disease (PD). Activation of h PINK1 induces phosphorylated ubiquitin to initiate removal of damaged mitochondria by autophagy. Previously we solved the structure of the insect PINK1 orthologue, Tribolium castaneum PINK1, and showed that autophosphorylation of Ser205 was critical for ubiquitin interaction and phosphorylation (Kumar, Tamjar, Waddell et al., 2017). Here we report new findings on the regulation of h PINK1 by phosphorylation. We reconstitute E. coli expressed h PINK1 activity in vitro by direct incorporation of phosphoserine at the equivalent site Serine 228 (pSer228), providing direct evidence for a role for Ser228 phosphorylation in h PINK1 activation. Furthermore, using mass spectrometry, we identify six novel Ser/Thr autophosphorylation sites including regulatory Serine167 phosphorylation (pSer167), which in addition to pSer228 is required for ubiquitin recognition and phosphorylation. Strikingly, we also detect phosphorylation of a conserved Cysteine412 (pCys412) residue in the h PINK1 activation segment. Structural modelling suggests that pCys412 inhibits ubiquitin recognition and we demonstrate that mutation of Cys412 to Ala renders h PINK1 more active towards ubiquitin when expressed in human cells. These results outline new insights into h PINK1 activation by pSer167 and pSer228 and a novel inhibitory mechanism mediated by pCys412. These findings will aid in the development of small molecule activators of h PINK1.

Abstract Human autosomal recessive mutations in the PINK1 gene are causal for Parkinson’s disease (PD). PINK1 encodes a mitochondrial localised protein kinase that is a master-regulator of mitochondrial quality control pathways. Structural studies to date have elaborated the mechanism of how mutations located within the kinase domain disrupt PINK1 function, however, the molecular mechanism of PINK1 mutations located upstream and downstream of the kinase domain are unknown. We have employed mutagenesis studies of human PINK1 in cells to define the minimal region of PINK1, required for optimal ubiquitin phosphorylation, beginning at residue Ile111. Bioinformatic analysis of the region spanning Ile111 to the kinase domain and inspection of the AlphaFold human PINK1 structure model predicts a conserved N-terminal α-helical domain extension (NTE domain) within this region corroborated by hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) of recombinant insect PINK1 protein. The AlphaFold structure also predicts the NTE domain forms an intramolecular interaction with the C-terminal extension (CTE). Cell-based analysis of human PINK1 reveals that PD-associated mutations (e.g. Q126P), located within the NTE:CTE interface, markedly inhibit stabilization of PINK1; autophosphorylation at Serine228 (Ser228); and Ubiquitin Serine65 (Ser65) phosphorylation. Furthermore, we provide evidence that NTE domain mutants do not affect intrinsic catalytic kinase activity but do disrupt PINK1 stabilisation at the mitochondrial Translocase of outer membrane (TOM) complex. The clinical relevance of our findings is supported by the demonstration of defective stabilization and activation of endogenous PINK1 in human fibroblasts of a patient with early-onset PD due to homozygous PINK1 Q126P mutations. Overall, we define a functional role of the NTE:CTE interface towards PINK1 stabilisation and activation and show that loss of NTE:CTE interactions is a major mechanism of PINK1-associated mutations linked to PD.