Mutations in the LRRK2 gene, coding for dardarin, cause dominantly inherited Parkinson's disease (PD). Dardarin is a large protein, and mutations are found throughout the gene including the kinase domain. However, it is not clear if kinase activity is important for the damaging effects of pathogenic mutations. In this study, we noted two cellular phenotypes associated with mutant dardarin. First, pathogenic mutations increase the tendency of dardarin to form inclusion bodies. Secondly, neurons and neuronal cell lines undergo cell death after expression of mutant protein. Manipulating activity by replacing the kinase domain with a ‘kinase-dead’ version blocks inclusion body formation and strongly delays cell death. This predicts that kinase inhibitors will be useful therapeutic agents in patients with LRRK2 mutations and, perhaps, in sporadic PD. We also show that dardarin protein is expressed within human midbrain neurons and that C-terminal epitopes are also found in some Lewy bodies.

Mutations in DJ-1, PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1) and parkin all cause recessive parkinsonism in humans, but the relationships between these genes are not clearly defined. One event associated with loss of any of these genes is altered mitochondrial function. Recent evidence suggests that turnover of damaged mitochondria by autophagy might be central to the process of recessive parkinsonism. Here, we show that loss of DJ-1 leads to loss of mitochondrial polarization, fragmentation of mitochondria and accumulation of markers of autophagy (LC3 punctae and lipidation) around mitochondria in human dopaminergic cells. These effects are due to endogenous oxidative stress, as antioxidants will reverse all of them. Similar to PINK1 and parkin, DJ-1 also limits mitochondrial fragmentation in response to the mitochondrial toxin rotenone. Furthermore, overexpressed parkin will protect against loss of DJ-1 and, although DJ-1 does not alter PINK1 mitochondrial phenotypes, DJ-1 is still active against rotenone-induced damage in the absence of PINK1. None of the three proteins complex together using size exclusion chromatography. These data suggest that DJ-1 works in parallel to the PINK1/parkin pathway to maintain mitochondrial function in the presence of an oxidative environment.

Several mutations in PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) gene have been reported to be associated with recessive parkinsonism. The encoded protein is predicted to be a Ser/Thr protein kinase targeted to mitochondria. In this study, we have investigated the effects of mutations on PINK1 kinase activity in vitro and on expression levels and localization in mammalian cells. We chose to examine two point mutations: G309D, which was originally reported to be stable and properly localized in cells and L347P, which is of interest because it is present at an appreciable carrier frequency in the Philippines. We were able to confirm kinase activity and produce artificial "kinase-dead" mutants that are stable but lack activity. The L347P mutation grossly destabilizes PINK1 and drastically reduces kinase activity, whereas G309D has much more modest effects on these parameters in vitro. This finding is in line with predictions based on homology modeling. We also examined the localization of PINK1 in transfected mammalian cells by using constructs that were tagged with myc or GFP at either end of the protein. These results show that PINK1 is processed at the N terminus in a manner consistent with mitochondrial import, but the mature protein also exists in the cytosol. The physiological relevance of this observation is not yet clear, but it implies that a portion of PINK1 may be exported after processing in the mitochondria.

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 Studies of the genetic basis of Parkinson’s disease (PD) have identified many disease-associated genetic variants, but the mechanisms linking variants to pathogenicity are largely unknown. PD risk is attributed to both coding mutations in the Leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene and to common non-coding variation upstream of the LRRK2 locus. Here we show that the influence of genotype at non-coding variant rs76904798 on LRRK2 expression is propagated specifically through microglia, in contrast to evaluations based on general rather than genotype-dependent expression. We find evidence of microglia-specific regulatory regions that may modulate LRRK2 expression using single nuclei sequencing analyses of human frontal cortex and confirm these results in a human induced pluripotent stem cell-derived microglia model. Our study demonstrates that cell type is an important consideration in interrogation of the role of non-coding variation in disease pathogenesis.

Abstract The FOUNdational Data INitiative for Parkinson’s Disease (FOUNDIN-PD) is an international collaboration producing fundamental resources for Parkinson’s disease (PD). FOUNDIN-PD generated a multi-layered molecular dataset in a cohort of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines differentiated to dopaminergic (DA) neurons, a major affected cell type in PD. The lines were derived from the Parkinson’s Progression Markers Initiative study including participants with PD carrying monogenic PD ( SNCA ) variants, variants with intermediate effects and variants identified by genome-wide association studies and unaffected individuals. We generated genetic, epigenetic, regulatory, transcriptomic, and longitudinal cellular imaging data from iPSC-derived DA neurons to understand molecular relationships between disease associated genetic variation and proximate molecular events. These data reveal that iPSC-derived DA neurons provide a valuable cellular context and foundational atlas for modelling PD genetic risk. We have integrated these data into a FOUNDIN-PD data browser ( https://www.foundinpd.org ) as a resource for understanding the molecular pathogenesis of PD.

Abstract Coding mutations in the LRRK2 gene, encoding for a large protein kinase, have been shown to cause familial Parkinson’s disease (PD). The immediate biological consequence of LRRK2 mutations is to increase kinase activity, leading to the suggestion that inhibition of this enzyme might be useful therapeutically to slow disease progression. Genome-wide association studies have identified the chromosomal loci around LRRK2 and one of its proposed substrates, RAB29 , as contributors towards the lifetime risk of sporadic PD. Considering the evidence for interactions between LRRK2 and RAB29 on the genetic and protein levels, here we generated a double knockout mouse model and determined whether there are any consequences on brain function with aging. From a battery of motor and non-motor behavioral tests, we noted only that 18-24 month Rab29 -/- and double ( Lrrk2 -/- /Rab29 -/- ) knockout mice had diminished locomotor behavior in open field compared to wildtype mice. However, no genotype differences were seen in number of substantia nigra pars compacta (SNc) dopamine neurons or in tyrosine hydroxylase levels in the SNc and striatum, which might reflect a PD-like pathology. These results suggest that depletion of both Lrrk2 and Rab29 is tolerated, at least in mice, and support that this pathway might be able to be safely targeted for therapeutics in humans. Significance statement Genetic variation in LRRK2 that result in elevated kinase activity can cause Parkinson’s disease (PD), suggesting LRRK2 inhibition as a therapeutic strategy. RAB29, a substrate of LRRK2, has also been associated with increased PD risk. Evidence exists for an interactive relationship between LRRK2 and RAB29. Mouse models lacking either LRRK2 or RAB29 do not show brain pathologies. We hypothesized that the loss of both targets would result in additive effects across in vivo and post-mortem assessments in aging mice. We found that loss of both LRRK2 and RAB29 did not result in significant behavioral deficits or dopamine neuron loss. This evidence suggests that chronic inhibition of this pathway should be tolerated clinically.

ABSTRACT Lysosomes are dynamic cellular structures that adaptively remodel their membrane in response to stimuli, including membrane damage. We previously uncovered a process we term LYTL (LYsosomal Tubulation/sorting driven by Leucine-Rich Repeat Kinase 2 [LRRK2]), wherein damaged lysosomes generate tubules sorted into mobile vesicles. LYTL is orchestrated by the Parkinson’s disease-associated kinase LRRK2 that recruits the motor adaptor protein and RHD family member JIP4 to lysosomes via phosphorylated RAB proteins. To identify new players involved in LYTL, we performed unbiased proteomics on isolated lysosomes after LRRK2 kinase inhibition. Our results demonstrate that there is recruitment of RILPL1 to ruptured lysosomes via LRRK2 activity to promote phosphorylation of RAB proteins at the lysosomal surface. RILPL1, which is also a member of the RHD family, enhances the clustering of LRRK2-positive lysosomes in the perinuclear area and causes retraction of LYTL tubules, in contrast to JIP4 which promotes LYTL tubule extension. Mechanistically, RILPL1 binds to p150 Glued , a dynactin subunit, facilitating the transport of lysosomes and tubules to the minus end of microtubules. Further characterization of the tubulation process revealed that LYTL tubules move along tyrosinated microtubules, with tubulin tyrosination proving essential for tubule elongation. In summary, our findings emphasize the dynamic regulation of LYTL tubules by two distinct RHD proteins and pRAB effectors, serving as opposing motor adaptor proteins: JIP4, promoting tubulation via kinesin, and RILPL1, facilitating tubule retraction through dynein/dynactin. We infer that the two opposing processes generate a metastable lysosomal membrane deformation that facilitates dynamic tubulation events.

ABSTRACT Genetic variation at the Leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) locus contributes to risk of familial and sporadic Parkinson’s disease. Recent data have shown a robust association between localization to various membranes of the endolysosomal system and LRRK2 activation. However, the mechanism(s) underlying LRRK2 activation at endolysosomal membranes are still poorly understood. Here we artificially direct LRRK2 to six different membranes within the endolysosomal system. We demonstrate that LRRK2 is activated and able to phosphorylate three of its Rab substrates (Rab10, Rab12 and Rab29) at each compartment. However, we report differing localization of pRab10 and pRab12 at the lysosomal and Golgi membranes. Specifically, we found that pRab10 colocalizes with a sub-population of perinuclear LRRK2-positive Golgi/lysosomal compartments whereas pRab12 localized to all LRRK2-positive Golgi/lysosomal membranes across the cell. When organelle positioning is manipulated by sequestering lysosomes to the perinuclear area, pRab10 colocalization with LRRK2 significantly increases. We also show recruitment of JIP4, a pRab10 effector that we have recently linked to LYTL, after trapping LRRK2 at various membranes. Taken together, we demonstrate that the association of LRRK2 to membranous compartments is sufficient for its activation and Rab phosphorylation independent of membrane identity. Our system also identifies a potential mechanism underlying the distinct relationships between LRRK2 and its substrates Rab10 and Rab12.

Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) is a large 286 kDa multi-domain protein whose mutation is a common cause of Parkinson's disease (PD). One of the common sites of familial PD-associated mutations occurs at residue Arg-1441 in the GTPase domain of LRRK2. Previously, we reported that the PD-associated mutation R1441H impairs the catalytic activity of the GTPase domain thereby traps it in a persistently "on" state. More recently, we reported that the GTPase domain of LRRK2 exists in a dynamic dimer-monomer equilibrium where GTP binding shifts it to the monomeric conformation while GDP binding shifts it back to the dimeric state. We also reported that all of the PD-associated mutations at Arg-1441, including R1441H, R1441C, and R1441G, impair the nucleotide-dependent dimer-monomer conformational dynamics of the GTPase domain. However, the mechanism of this nucleotide-dependent conformational dynamics and how it is impaired by the mutations at residue Arg-1441 remained unclear. Here, we report a 1.6 A crystal structure of the GTPase domain of LRRK2. Our structure has revealed a dynamic switch region that can be differentially regulated by GTP and GDP binding. This nucleotide-dependent regulation is impaired when residue Arg-1441 is substituted with the PD-associated mutations due to the loss of its exquisite interactions consisting of two hydrogen bonds and a π-stacking interaction at the dimer interface.