Abstract The reversibility of ubiquitination by the action of deubiquitinating enzymes (DUBs) serves as an important regulatory layer within the ubiquitin system. Approximately 100 DUBs are encoded by the human genome and many have been implicated with pathologies including neurodegeneration and cancer. Non-lysine ubiquitination is chemically distinct and its physiological importance is emerging. Here we couple chemically and chemoenzymatically synthesized ubiquitinated lysine and threonine model substrates to a matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry-based DUB assay. Using this platform, we profile two-thirds of known catalytically active DUBs for threonine esterase and lysine isopeptidase activity and find that most DUBs demonstrate dual selectivity. However, with two anomalous exceptions, the ovarian tumor domain (OTU) DUB class demonstrate specific (iso)peptidase activity. Strikingly, we find the Machado Josephin Domain (MJD) class to be unappreciated non-lysine DUBs with highly specific ubiquitin esterase activity that rivals the efficiency of the most active isopeptidases. Esterase activity is dependent on the canonical catalytic triad but proximal hydrophobic residues appear to be general determinants of non-lysine activity. These findings suggest that non-lysine ubiquitination is an integral component of the ubiquitin system, with regulatory sophistication comparable to that of canonical ubiquitination.

Abstract E2 conjugating enzymes (E2s) play a central role in the enzymatic cascade that leads to the attachment of ubiquitin to a substrate. This process, termed ubiquitylation is fundamental for maintaining cellular homeostasis and impacts almost all cellular process. By interacting with multiple E3 ligases, E2s direct the ubiquitylation landscape within the cell. Since its discovery, ubiquitylation has been regarded as a post-translational modification that specifically targets lysine side chains (canonical ubiquitylation). We used MALDI-TOF Mass Spectrometry to discover and characterize a family of E2s that are instead able to conjugate ubiquitin to serine and/or threonine. We employed protein modelling and prediction tools to identify the catalytic determinants that these E2s use to interact with ubiquitin as well as their substrates. Our results join a stream of recent literature that challenges the definition of ubiquitylation as an exquisitely lysine-specific modification and provide crucial insights into the missing E2 element responsible for non-canonical ubiquitylation. Teaser E2 conjugating enzymes (E2s) play a fundamental role in the attachment of ubiquitin to its substrate. Most E2s can form an isopeptide bond between the ubiquitin C- terminus and a lysine present on the substrate. We identified a family of E2s, UBE2Q1 and UBE2Q2, able to target amino acids other than lysine. Currently nothing is known about their mechanism of action and what substrates they are targeting, even though genetic ablation of UBE2Q1 produce substantial infertility in mice. Here we answer the question about what the key residues beneath their peculiar activity are. We discovered that UBE2Q1 target the lysine-free cytoplasmic domain of the Golgi resident protein Beta-1,4-galactosyltransferase 1, providing an interesting precedent for the role of non-canonical ubiquitylation in eukaryotic cells.

ABSTRACT The selective removal of dysfunctional mitochondria, a process termed mitophagy, is critical for cellular health and impairments have been linked to aging, Parkinson disease, and other neurodegenerative conditions. A central mitophagy pathway is orchestrated by the ubiquitin (Ub) kinase PINK1 together with the E3 Ub ligase PRKN/Parkin. The decoration of damaged mitochondrial domains with phosphorylated Ub (p-S65-Ub) mediates their elimination though the autophagy system. As such p-S65-Ub has emerged as a highly specific and quantitative marker of mitochondrial damage with significant disease relevance. Existing p-S65-Ub antibodies have been successfully employed as research tools in a range of applications including western blot, immunocytochemistry, immunohistochemistry, and ELISA. However, physiological levels of p-S65-Ub in the absence of exogenous stress are very low, therefore difficult to detect and require reliable and ultrasensitive methods. Here we generated and characterized a collection of novel recombinant, rabbit monoclonal p-S65-Ub antibodies with high specificity and affinity in certain applications that allow the field to better understand the molecular mechanisms and disease relevance of PINK1-PRKN signaling. These antibodies may also serve as novel diagnostic or prognostic tools to monitor mitochondrial damage in various clinical and pathological specimens.

ABSTRACT Mutations in LRRK2 and PINK1 are associated with familial Parkinson’s disease (PD). LRRK2 phosphorylates Rab GTPases within the Switch II domain whilst PINK1 directly phosphorylates Parkin and ubiquitin and indirectly induces phosphorylation of a subset of Rab GTPases. Herein we have crossed LRRK2 [R1441C] mutant knock-in mice with PINK1 knock-out (KO) mice and report that loss of PINK1 does not impact endogenous LRRK2-mediated Rab phosphorylation nor do we see significant effect of mutant LRRK2 on PINK1-mediated Rab and ubiquitin phosphorylation. In addition, we observe that a pool of the Rab-specific, PPM1H phosphatase, is transcriptionally up-regulated and recruited to damaged mitochondria, independent of PINK1 or LRRK2 activity. Parallel signalling of LRRK2 and PINK1 pathways is supported by assessment of motor behavioural studies that show no evidence of genetic interaction in crossed mouse lines. Previously we showed loss of cilia in LRRK2 R1441C mice and herein we show that PINK1 KO mice exhibit a ciliogenesis defect in striatal cholinergic interneurons and astrocytes that interferes with Hedgehog induction of glial derived-neurotrophic factor (GDNF) transcription. This is not exacerbated in double mutant LRRK2 and PINK1 mice. Overall, our analysis indicates that LRRK2 activation and/or loss of PINK1 function along parallel pathways to impair ciliogenesis, suggesting a convergent mechanism towards PD. Our data suggests that reversal of defects downstream of ciliogenesis offers a common therapeutic strategy for LRRK2 or PINK1 PD patients whereas LRRK2 inhibitors that are currently in clinical trials are unlikely to benefit PINK1 PD patients.

SUMMARY Autosomal recessive mutations in PINK1 and Parkin cause Parkinson’s disease. How activation of PINK1 and Parkin leads to elimination of damaged mitochondria by mitophagy is largely based on cell culture studies with few molecular studies in neurons. Herein we have undertaken a global proteomic-analysis of mitochondria from mouse neurons to identify ubiquitylated substrates of endogenous Parkin activation. Comparative analysis with human iNeuron datasets revealed a subset of 49 PINK1-dependent diGLY sites upregulated upon mitochondrial depolarisation in 22 proteins conserved across mouse and human systems. These proteins were exclusively localised at the mitochondrial outer membrane (MOM) including, CISD1, CPT1α, ACSL1, and FAM213A. We demonstrate that these proteins can be directly ubiquitylated by Parkin in vitro . We also provide evidence for a subset of cytoplasmic proteins recruited to mitochondria that undergo PINK1 and Parkin independent ubiquitylation including SNX3, CAMK2α and CAMK2β indicating the presence of alternate ubiquitin E3 ligase pathways that are activated by mitochondrial depolarisation in neurons. Finally we have developed an online resource to visualise mitochondrial ubiquitin sites in neurons and search for ubiquitin components recruited to mitochondria upon mitochondrial depolarisation, MitoNUb. This analysis will aid in future studies to understand Parkin activation in neuronal subtypes. Our findings also suggest that monitoring ubiquitylation status of the 22 identified MOM proteins may represent robust biomarkers for PINK1 and Parkin activity in vivo .

The selective removal of dysfunctional mitochondria, a process termed mitophagy, is critical for cellular health and impairments have been linked to aging, Parkinson disease, and other neurodegenerative conditions. A central mitophagy pathway is orchestrated by the ubiquitin (Ub) kinase PINK1 together with the E3 Ub ligase PRKN/Parkin. The decoration of damaged mitochondrial domains with phosphorylated Ub (p-S65-Ub) mediates their elimination though the autophagy system. As such p-S65-Ub has emerged as a highly specific and quantitative marker of mitochondrial damage with significant disease relevance. Existing p-S65-Ub antibodies have been successfully employed as research tools in a range of applications including western blot, immunocytochemistry, immunohistochemistry, and enzyme-linked immunosorbent assay. However, physiological levels of p-S65-Ub in the absence of exogenous stress are very low, therefore difficult to detect and require reliable and ultrasensitive methods. Here we generated and characterized a collection of novel recombinant, rabbit monoclonal p-S65-Ub antibodies with high specificity and affinity in certain applications that allow the field to better understand the molecular mechanisms and disease relevance of PINK1-PRKN signaling. These antibodies may also serve as novel diagnostic or prognostic tools to monitor mitochondrial damage in various clinical and pathological specimens.

Parkinsons disease-associated, activating mutations in Leucine Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) block primary cilia formation in cholinergic and parvalbumin interneurons and astrocytes in the striatum, decreasing the production of GDNF and NRTN neuroprotective factors that normally support dopaminergic neuron viability. We show here that 3 month-dietary administration of the MLi-2 LRRK2 kinase inhibitor restores primary cilia and the Hedgehog-responsive production of neuroprotective GDNF and NRTN by these neurons; cilia are also restored on cholinergic neurons of the pedunculopontine nucleus. Importantly, we detect recovery of striatal dopaminergic processes and decreased stress-triggered Hedgehog signaling by nigral dopaminergic neurons. Thus, pathogenic LRRK2-driven cilia loss is reversible in post-mitotic neurons and astrocytes, which suggests that early administration of specific LRRK2 inhibitors may have significant therapeutic benefit for patients in the future.

Conserved protein kinases with core cellular functions have been frequently redeployed during metazoan evolution to regulate specialized developmental processes. Ser-Arg Repeat Protein Kinase (SRPK) is one such conserved eukaryotic kinase, which controls mRNA splicing. Surprisingly, we show that SRPK has acquired a novel function in regulating a neurodevelopmental ubiquitin signalling pathway. In mammalian embryonic stem cells, SRPK phosphorylates Ser-Arg motifs in RNF12/RLIM, a key developmental E3 ubiquitin ligase that is mutated in an intellectual disability syndrome. Processive phosphorylation by SRPK stimulates RNF12-dependent ubiquitylation of transcription factor substrates, thereby acting to restrain a neural gene expression programme that is aberrantly expressed in intellectual disability. SRPK family genes are also mutated in intellectual disability disorders, and patient-derived SRPK point mutations impair RNF12 phosphorylation. Our data reveal unappreciated functional diversification of SRPK to regulate ubiquitin signalling that ensures correct regulation of neurodevelopmental gene expression.