Abstract Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) cause autosomal dominant Parkinson’s disease (PD) while polymorphic LRRK2 variants are associated with sporadic PD. PD-linked mutations increase LRRK2 kinase activity and induce neurotoxicity in vitro and in vivo . The small GTPase Rab8a is a LRRK2 kinase substrate and is involved in receptor-mediated recycling and endocytic trafficking of transferrin, but the effect of PD-linked LRRK2 mutations on the function of Rab8a are poorly understood. Here, we show that gain-of-function mutations in LRRK2 induce sequestration of endogenous Rab8a into lysosomes in cells while pharmacological inhibition of LRRK2 kinase activity reverses this phenotype. Furthermore, we show that LRRK2 mutations drive accumulation of endocytosed transferrin into Rab8a-positive lysosomes leading to a dysregulation of iron transport. LRRK2 has been nominated as an integral part of cellular responses downstream of proinflammatory signals and is activated in microglia in post-mortem PD tissue. Here, we show that iPSC-derived microglia from patients carrying the most common LRRK2 mutation, G2019S, mistraffic transferrin to lysosomes proximal to the nucleus in proinflammatory conditions. Furthermore, G2019S knock-in mice show significant increase in iron deposition in microglia following intrastriatal LPS injection compared to wild type mice, accompanied by striatal accumulation of ferritin. Our data support a role of LRRK2 in modulating iron uptake and storage in response to proinflammatory stimuli in microglia.

Abstract Mutations in the LRRK2 gene cause familial Parkinson’s disease presenting with pleomorphic neuropathology that can involve α-synuclein or tau accumulation. LRRK2 mutations are thought to converge toward a pathogenic increase in LRRK2 kinase activity. A subset of small Rab GTPases have been identified as LRRK2 substrates, with LRRK2-dependent phosphorylation resulting in Rab inactivation. We used CRISPR/Cas9 genome editing to generate a novel series of isogenic iPSC lines deficient in the two most well validated LRRK2 substrates, Rab8a and Rab10, from two independent, deeply phenotyped healthy control lines. Thorough characterization of NGN2-induced neurons revealed divergent effects of Rab8a and Rab10 deficiency on lysosomal pH, LAMP1 association with Golgi, α-synuclein insolubility and tau phosphorylation, while parallel effects on lysosomal numbers and Golgi clustering were observed. Our data demonstrate largely antagonistic effects of genetic Rab8a or Rab10 inactivation which provide discrete insight into the pathologic features of their biochemical inactivation by pathogenic LRRK2 mutation. Highlights Rab8a and Rab10 deficiency induce lysosomal and Golgi defects Rab8a and Rab10 deficiency induce opposing effects on lysosomal pH Rab8a KO and Rab10 KO neurons show divergent effects on synuclein and tau proteostasis Inactivation of different Rab GTPases can induce distinct disease-relevant phenotypes

Introduction: Mutations in the Leucine Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) gene cause autosomal dominant Parkinsons disease (PD) with the most common causative mutation being the LRRK2 p.G2019S within the kinase domain. LRRK2 protein is highly expressed in the human brain and also in the periphery, and high expression of dominant PD genes in immune cells suggest involvement of microglia and macrophages in inflammation related to PD. LRRK2 is known to respond to extracellular signalling including TLR4 resulting in alterations in gene expression, with the response to TLR2 signalling through zymosan being less known. Methods: Here, we investigated the effects of zymosan, a TLR2 agonist and the potent and specific LRRK2 kinase inhibitor MLi-2 on gene expression in microglia from LRRK2-WT and LRRK2 p.G2019S knock-in mice by RNA-Sequencing analysis. Results: We observed both overlapping and distinct zymosan and MLi-2 mediated gene expression profiles in microglia. At least two candidate Genome-Wide Association (GWAS) hits for PD, CathepsinB (Ctsb) and Glycoprotein-nmb (Gpnmb), were notably downregulated by zymosan treatment. Genes involved in inflammatory response and nervous system development were up and downregulated respectively with zymosan treatment while MLi-2 treatment particularly exhibited upregulated genes for ion transmembrane transport regulation. Furthermore, we observed the top twenty most significantly differentially expressed genes in LRRK2 p.G2019S microglia show enriched biological processes in iron transport and response to oxidative stress. Discussion: Overall, these results suggest that microglial LRRK2 may contribute to PD pathogenesis through altered inflammatory pathways. Our findings should encourage future investigations of these putative avenues in the context of PD pathogenesis.

Mutations in the leucine rich repeat kinase 2 (LRRK2) gene are a cause of familial and sporadic Parkinson disease (PD). Nonetheless, the biological functions of LRRK2 remain incompletely understood. Here, we observed that LRRK2 is recruited to lysosomes that have a ruptured membrane. Using unbiased proteomics, we observed that LRRK2 is able to recruit the motor adaptor protein JIP4 to permeabilized lysosomes in a kinase-dependent manner through the phosphorylation of RAB35 and RAB10. Super-resolution live cell imaging microscopy and FIB-SEM revealed that once at the lysosomal membrane, JIP4 promotes the formation of LAMP1-negative lysosomal tubules that release membranous content from ruptured lysosomes. Released vesicular structures are able to interact with other lysosomes. Thus, we described a new process that uses lysosomal tubulation to release vesicular structures from permeabilized lysosomes. LRRK2 orchestrates this process that we name LYTL (LYsosomal Tubulation/sorting driven by LRRK2) that, given the central role of the lysosome in PD, is likely to be disease relevant.

Abstract The transition from hedonic alcohol drinking to problematic drinking is a hallmark of alcohol use disorder that occurs only in a subset of drinkers. This transition is known to require long-lasting changes in the synaptic drive and the activity of striatal neurons expressing dopamine D1 receptor (D1R). The molecular mechanisms that generate vulnerability in some individuals to undergo the transition are less understood. Here, we report that the Parkinson’s-related protein leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) modulates striatal D1R function to affect the behavioral response to alcohol and the likelihood that mice transition to heavy, persistent alcohol drinking. Deletion of the Lrrk2 gene specifically from D1R-expressing neurons potentiates D1R signaling at the cellular and synaptic level, enhancing alcohol-related behaviors and drinking. Mice with cell-specific deletion of Lrrk2 are more prone to heavy alcohol drinking and consumption is insensitive to punishment. These findings identify a novel role for LRRK2 function in the striatum in promoting resilience against heavy and persistent alcohol drinking.

Abstract Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) are an established cause of inherited Parkinson’s disease (PD). LRRK2 is expressed in both neurons and glia in the central nervous system, but its physiological function(s) in each of these cell types is uncertain. Through sequential screens, we report a functional interaction between LRRK2 and Clathrin adaptor protein complex 2 (AP2). Analysis of LRRK2 KO tissue revealed a significant dysregulation of AP2 complex components, suggesting LRRK2 may act upstream of AP2. In line with this hypothesis, expression of LRRK2 was found to modify recruitment and phosphorylation of AP2. Furthermore, expression of LRRK2 containing the R1441C pathogenic mutation resulted in impaired clathrin-mediated endocytosis (CME). A decrease in activity-dependent synaptic vesicle endocytosis was also observed in neurons harboring an endogenous R1441C LRRK2 mutation. Alongside LRRK2 , several PD-associated genes intersect with membrane-trafficking pathways. To investigate the genetic association between Clathrin-trafficking and PD, we used polygenetic risk profiling from IPDGC genome wide association studies (GWAS) datasets. Clathrin-dependent endocytosis genes were found to be associated with PD across multiple cohorts, suggesting common variants at these loci represent a cumulative risk factor for disease. Taken together, these findings suggest CME is a LRRK2-mediated, PD relevant pathway.