Abstract PGC-1α plays a central role in maintaining the mitochondrial and energy metabolism homeostasis, linking external stimuli to the transcriptional co-activation of genes involved in adaptive and age-related pathways. The carboxyl-terminus encodes a serine/arginine-rich (RS) region and a putative RNA recognition motif, however potential RNA-processing role(s) have remained elusive for the past 20 years. Here, we show that the RS domain of human PGC-1α directly interacts with RNA and the nuclear RNA export factor NXF1. Inducible depletion of endogenous PGC-1α and expression of RNAi-resistant RS-deleted PGC-1α further demonstrate that the RNA-binding activity is required for nuclear export of co-activated transcripts and mitochondrial homeostasis. Moreover, a quantitative proteomics approach confirmed PGC-1α-dependent RNA transport and mitochondrial-related functions, identifying also novel mRNA nuclear export targets in age-related telomere maintenance. Discovering a novel function for a major cellular homeostasis regulator provides new directions to further elucidate the roles of PGC-1α in gene expression, metabolic disorders, ageing and neurodegenerative diseases.

Summary Autophagy is essential for neuronal development and its deregulation contributes to neurodegenerative diseases. NDR1 and NDR2 are highly conserved kinases implicated in neuronal development, mitochondrial health and autophagy, but how they affect mammalian brain development in vivo is not known. Using single and double Ndr1/2 knockout mouse models we show that, dual, but not individual loss of Ndr1/2 in neurons causes neurodegeneration during brain development, but also in adult mice. Proteomic and phosphoproteomic comparisons between Ndr1/2 knockout and control brains revealed novel kinase substrates and indicated that endocytosis is significantly affected in the absence of NDR1/2. We validated the endocytic protein, Raph1/Lpd1 as a novel NDR1/2 substrate and showed that both NDR1/2 and Raph1 are critical for endocytosis and membrane recycling. In NDR1/2 knockout brains, we observed prominent accumulation of transferrin receptor, p62 and ubiquitinated proteins, indicative of a major impairment of protein homeostasis. Furthermore, the levels of LC3-positive autophagosomes were reduced in knockout neurons, implying that reduced autophagy efficiency mediates p62 accumulation and neurotoxicity. Mechanistically, pronounced mislocalisation of the transmembrane autophagy protein ATG9A at the neuronal periphery, impaired axonal ATG9A trafficking and increased ATG9A surface levels further confirm defects in membrane trafficking and could underlie the impairment in autophagy. We provide novel insight into the roles of NDR1/2 kinases in maintaining neuronal health. Highlights Dual neuronal Ndr1 and Ndr2 knockout during development or in adult mice causes neurodegeneration. Phosphoproteomics comparison of Ndr1/2 knockouts with control littermates shows endocytosis and membrane trafficking to be affected and reveals novel substrates. Raph1/Lamellipodin is a novel NDR1/2 substrate that is required for TfR endocytosis. Ndr1/2 knockout brains exhibit a severe defect in ubiquitinated protein clearance and reduced autophagy. NDR1/2 and Raph1 are required for the trafficking of the only transmembrane autophagy protein, ATG9A.

Abstract LRRK2 is commonly mutated in Parkinson’s disease and has cell type-specific mechanisms of activation and function. In macrophages, LRRK2 is associated with lysosomes and is activated following lysosomal damage. However, effects of pathogenic LRRK2-G2019S in macrophages are unknown. Here, using primary mouse and human iPSC-derived macrophage (iPSDM) models of LRRK2-G2019S, we defined the substrates of LRRK2 after lysosomal damage. Using phosphoproteomics we found that LRRK2-G2019S and wild-type macrophages showed similar levels of Rab phosphorylation after lysosomal damage, with the exceptions of Rab12 and Rab35, which were increased and decreased, respectively, in LRRK2-G2019S. LRRK2-G2019S macrophages showed a LRRK2 kinase activity-independent deficit in lysosomal membrane repair which resulted in more cell death and increased apoptosis. Importantly, we recapitulated this phenotype in iPSDM from patients carrying the G2019S mutation, but not in isogenic control iPSDM. Altogether, we define here the signaling downstream of G2019S in macrophages and identify susceptibility to cell death after lysosomal damage as an important phenotype of this mutation.

Abstract Transcriptomes and translatomes measure genome-wide levels of total and ribosome-associated RNAs. A few hundred translatomes were reported over >250,000 transcriptomes highlighting the challenges of identifying translating RNAs. Here, we used a human isogenic inducible model of TDP-43-linked amyotrophic lateral sclerosis, which exhibits altered expression of thousands of transcripts, as a paradigm for the direct comparison of whole-cell, cytoplasmic and translating RNAs, showing broad uncoupling and poor correlation between disease-altered transcripts. Moreover, based on precipitation of endogenous ribosomes, we developed GRASPS (Genome-wide RNA Analysis of Stalled Protein Synthesis), a simple-to-operate translatome technology. Remarkably, GRASPS identified three times more differentially-expressed transcripts with higher fold changes and statistical significance, providing unprecedented opportunities for data modeling at stringent filtering and discovery of previously omics-missed disease-relevant pathways, which functionally map on dense gene regulatory networks of protein-protein interactions. Based on its simplicity and robustness, GRASPS is widely applicable across disciplines in the biotechnologies and biomedical sciences.

Abstract Mechanistic target of rapamycin (mTOR) is a protein kinase that integrates multiple inputs to regulate anabolic cellular processes. mTOR complex I (mTORC1) has key functions in growth control, autophagy and metabolism. Much less is known about the signalling components that act downstream of mTORC1 that regulate cellular morphology, a vital determinant of cellular function. Here we show that the RNA-binding protein Unkempt, a key regulator of cellular morphogenesis, is a novel substrate mTORC1. We find that Unkempt phosphorylation is regulated by nutrient levels and growth factors via mTORC1. Furthermore, Unkempt physically interacts with and is directly phosphorylated by mTORC1 through binding to the regulatory-associated protein of mTOR, Raptor. Phosphorylation of Unkempt, which we find is mTORC1-dependent in cultured mammalian cell lines as well as in primary tissues, occurs largely within the highly serine-rich intrinsically disordered region of Unkempt. Importantly, mutation analysis of this region indicates that phosphorylation inhibits the ability of Unkempt to induce a bipolar morphology. Our findings reveal a novel molecular link between mTORC1 signalling and cellular morphogenesis.

Abstract Developmental and epileptic encephalopathies (DEEs) are a group of rare childhood disorders characterized by severe epilepsy and cognitive deficits. Numerous DEE genes have been discovered thanks to advances in genomic diagnosis, yet putative molecular links between these disorders are unknown. CDKL5 deficiency disorder (CDD, DEE2), one of the most common genetic epilepsies, is caused by loss-of-function mutations in the brain-enriched kinase CDKL5. To elucidate CDKL5 function, we looked for CDKL5 substrates using a SILAC-based phosphoproteomic screen. We identified the voltage-gated Ca 2+ channel Cav2.3 (encoded by CACNA1E ) as a novel physiological target of CDKL5 in mice and humans. Recombinant channel electrophysiology and interdisciplinary characterization of Cav2.3 phosphomutant mice revealed that loss of Cav2.3 phosphorylation leads to channel gain-of-function via slower inactivation and enhanced cholinergic stimulation, resulting in increased neuronal excitability. Our results thus show that CDD is partly a channelopathy. The properties of unphosphorylated Cav2.3 closely resemble those described for CACNA1E gain-of-function mutations causing DEE69, a disorder sharing clinical features with CDD. We show that these two single-gene diseases are mechanistically related and could be ameliorated with Cav2.3 inhibitors.