Mutations in the leucine-rich repeat kinase 2 gene (LRRK2) have been recently identified in families with autosomal dominant late-onset Parkinson disease (PD). The LRRK2 protein consists of multiple domains and belongs to the Roco family, a novel group of the Ras/GTPase superfamily. Besides the GTPase (Roc) domain, it contains a predicted kinase domain, with homology to MAP kinase kinase kinases. Using cell fractionation and immunofluorescence microscopy, we show that LRRK2 is localized in the cytoplasm and is associated with cellular membrane structures. The purified LRRK2 protein demonstrates autokinase activity. The disease-associated I2020T mutant shows a significant increase in autophosphorylation of ∼40% in comparison to wild-type protein in vitro. This suggests that the pathology of PD caused by the I2020T mutation is associated with an increase rather than a loss in LRRK2 kinase activity.

The devastating effects and incurable nature of hereditary and sporadic retinal diseases such as Stargardt disease, age-related macular degeneration or retinitis pigmentosa urgently require the development of new therapeutic strategies. Additionally, a high prevalence of retinal toxicities is becoming more and more an issue of novel targeted therapeutic agents. Ophthalmologic drug development, to date, largely relies on animal models, which often do not provide results that are translatable to human patients. Hence, the establishment of sophisticated human tissue-based in vitro models is of upmost importance. The discovery of self-forming retinal organoids (ROs) derived from human embryonic stem cells (hESCs) or human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) is a promising approach to model the complex stratified retinal tissue. Yet, ROs lack vascularization and cannot recapitulate the important physiological interactions of matured photoreceptors and the retinal pigment epithelium (RPE). In this study, we present the retina-on-a-chip (RoC), a novel microphysiological model of the human retina integrating more than seven different essential retinal cell types derived from hiPSCs. It provides vasculature-like perfusion and enables, for the first time, the recapitulation of the interaction of mature photoreceptor segments with RPE in vitro. We show that this interaction enhances the formation of outer segment-like structures and the establishment of in vivo-like physiological processes such as outer segment phagocytosis and calcium dynamics. In addition, we demonstrate the applicability of the RoC for drug testing, by reproducing the retinopathic side-effects of the anti-malaria drug chloroquine and the antibiotic gentamicin. The developed hiPSC-based RoC has the potential to promote drug development and provide new insights into the underlying pathology of retinal diseases.

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) are the single most common cause of inherited Parkinson's disease. Little is known about its involvement in the pathogenesis of Parkinson's disease mainly because of the lack of knowledge about the physiological role of LRRK2. To determine the function of LRRK2, we studied the impact of short hairpin RNA-mediated silencing of LRRK2 expression in cortical neurons. Paired recording indicated that LRRK2 silencing affects evoked postsynaptic currents. Furthermore, LRRK2 silencing induces at the presynaptic site a redistribution of vesicles within the bouton, altered recycling dynamics, and increased vesicle kinetics. Accordingly, LRRK2 protein is present in the synaptosomal compartment of cortical neurons in which it interacts with several proteins involved in vesicular recycling. Our results suggest that LRRK2 modulates synaptic vesicle trafficking and distribution in neurons and in consequence participates in regulating the dynamics between vesicle pools inside the presynaptic bouton.

ABSTRACT Due to continuously high production rates of rhodopsin (RHO) and high metabolic activity, photoreceptor neurons are especially vulnerable to defects in proteostasis. A proline to histidine substitution at position 23 (P23H) leads to production of structurally misfolded RHO, causing the most common form of autosomal dominant Retinitis Pigmentosa (adRP) in North America. The AAA-ATPase valosin-containing protein (VCP) extracts misfolded proteins from the ER membrane for cytosolic degradation. Here, we provide the first evidence that inhibition of VCP activity rescues degenerating P23H rod cells and improves their functional properties in P23H transgenic rat and P23H knock-in mouse retinae, both in vitro and in vivo . This improvement correlates with the restoration of the physiological RHO localization to rod outer segments (OS) and properly-assembled OS disks. As a single intravitreal injection suffices to deliver a long-lasting benefit in vivo , we suggest VCP inhibition as a potential therapeutic strategy for adRP patients carrying mutations in the RHO gene.

Abstract The cilium is an essential organelle at the surface of most mammalian cells whose dysfunction causes a wide range of genetic diseases collectively called ciliopathies. The current rate at which new ciliopathy genes are identified suggests that many ciliary components remain undiscovered. We generated and rigorously analyzed genomic, proteomic, transcriptomic and evolutionary data and systematically integrated these using Bayesian statistics into a predictive score for ciliary function. This resulted in 285 candidate ciliary genes. We found experimental evidence of ciliary associations for 24 out of 36 analyzed candidate proteins. In addition, we show that OSCP1, which has previously been implicated in two distinct non-ciliary functions, causes a cilium dysfunction phenotype when depleted in zebrafish. The candidate list forms the basis of CiliaCarta, a comprehensive ciliary compendium covering 836 genes. The resource can be used to objectively prioritize candidate genes in whole exome or genome sequencing of ciliopathy patients and can be accessed at http://bioinformatics.bio.uu.nl/john/syscilia/ciliacarta/ .

Abstract Age-related macular degeneration (AMD) is a complex degenerative disease of the retina with multiple risk-modifying factors, including ageing, genetics and lifestyle choices. The combination of these factors leads to oxidative stress, inflammation and metabolic failure in the retinal pigment epithelium (RPE) with subsequent degeneration of photoreceptors in the retina. The alternative complement pathway is tightly linked to AMD. In particular, the genetic variant in the complement factor H gene ( CFH ), that leads to the Y402H polymorphism in the factor H protein (FH), confers the second highest risk for the development and progression of AMD. While the association between the FH Y402H variant and increased complement system activation is known, recent studies have uncovered novel FH functions not tied to this activity and highlighted functional relevance for intracellular FH. In our previous studies, we show that loss of CFH expression in RPE cells causes profound disturbances in cellular metabolism, increases the vulnerability towards oxidative stress and modulates the activation of pro-inflammatory signaling pathways, most importantly the NF-kB pathway. Here, we silenced CFH in hTERT-RPE1 cells to investigate the mechanism by which intracellular FH regulates RPE cell homeostasis. We found that silencing of CFH results in hyperactivation of mTOR signaling along with decreased mitochondrial respiration and that mTOR inhibition via rapamycin can partially rescue these metabolic defects. To obtain mechanistic insight into the function of intracellular FH in hTERT-RPE1 cells, we analyzed the interactome of FH via immunoprecipitation followed by Mass spectrometry-based analysis. We found that FH interacts with essential components of the ubiquitin-proteasomal pathway (UPS) as well as with factors associated with RB1/E2F signalling in a complement-pathway independent manner. Moreover, we found, that FH silencing affects mRNA levels of the E3 Ubiquitin-Protein Ligase Parkin and PTEN induced putative kinase (Pink1), both of them are associated with UPS. As inhibition of mTORC1 has been previoulsy shown to result in increased overall protein degradation via UPS and as FH mRNA and protein levels were shown to be affected by inhibition of UPS, our data stress a potential regulatory link between endogenous FH activity and the UPS.

Abstract The correct intraflagellar transport (IFT) assembly at the ciliary base and the IFT turnaround at the ciliary tip are key for the IFT to perform its function, but we still have poor understanding about how these processes are regulated. Here, we identify WDR31 as a new ciliary protein, and analysis from zebrafish and Caenorhabditis elegans reveals the role of WDR31 in regulating the cilia morphology. We find that loss of WDR-31 together with RP-2 and ELMD-1 (the sole ortholog ELMOD1-3) results in ciliary accumulations of IFT Complex B components and KIF17 kinesin, with fewer IFT/BBSome particles traveling along cilia in both anterograde and retrograde directions, suggesting that the IFT/BBSome entry into cilia and exit from cilia are impacted. Furthermore, anterograde IFT in the middle segment travel at increased speed in wdr-31;rpi-2;elmd-1 . Remarkably, a non-ciliary protein leaks into cilia of wdr-31;rpi-2;elmd-1 possible due to IFT defects. This work reveals WDR31-RP-2-ELMD-1 as IFT and BBSome trafficking regulators.

Abstract Age-related macular degeneration (AMD), the leading cause of vision loss in the elderly, is a degenerative disease of the macula, where retinal pigment epithelium (RPE) cells are damaged in the early stages of the disease and chronic inflammatory processes may be involved. Besides ageing and lifestyle factors as drivers of AMD, a strong genetic association to AMD is found in genes of the complement system, with a single polymorphism in the complement factor H gene ( CFH) , accounting for the majority of AMD risk. However, the exact mechanism by which CFH dysregulation confers such a great risk for AMD and its role in RPE cells homeostasis is unclear. To explore the role of endogenous CFH locally in RPE cells, we silenced CFH in human hTERT-RPE1 cells. We demonstrate that endogenously expressed CFH in RPE cells modulates inflammatory cytokine production and complement regulation, independent of external complement sources or stressors. We show that loss of the factor H protein (FH) results in increased levels of inflammatory mediators ( e . g . IL-6, IL-8, GM-CSF) and altered levels of complement proteins ( e . g. C3, CFB upregulation and C5 downregulation) that are known to play a role in AMD. Moreover, we identified the NF-κB pathway as the major pathway involved in the regulation of these inflammatory and complement factors. Our findings suggest that in RPE cells, FH and the NF-κB pathway work in synergy to maintain inflammatory and complement balance and in case either one of them is dysregulated, the RPE microenvironment changes towards a pro-inflammatory AMD-like phenotype.

Abstract Age-related Macular degeneration (AMD) is a degenerative disease of the macula affecting the elderly population. Treatment options are limited, partly due to the lack of understanding of AMD pathology and the sparse availability of research models, that replicate the complexity of the human macula and the intricate interplay of the genetic, aging and life-style risk factors contributing to AMD. One of the main genetic risks associated with AMD is located on Complement Factor H ( CFH ) gene, leading to an amino acid substitution in the FH protein (Y402H). However, the mechanism of how this FH variant promotes the onset of AMD remains unclear. Previously, we have shown that FH deprivation in RPE cells, via CFH silencing, leads to increased inflammation, metabolic impairment and vulnerability towards oxidative stress. In this study, we established a novel co-culture model comprised of CFH silenced RPE cells and porcine retinal explants derived from the visual streak of the porcine eyes, closely resembling the human macula. We show that retinae exposed to FH-deprived RPE cells show signs of retinal degeneration, with rod cells being the first cells to undergo degeneration. Moreover, via Raman analyses, we observe that the main changes involve the mitochondria and lipid composition of the co-cultured retinae upon FH loss. Interestingly, the detrimental effects of FH loss in RPE cells on the neuroretina were independent of glial cell activation and external complement sources. Moreover, we show that the co-culture model is also suitable for human retinal explants, and we observed a similar trend when RPE cells deprived of FH were co-cultured with human retinal explants from a single donor eye. Our findings highlight the importance of RPE derived FH for retinal homeostasis and provide a valuable model for AMD research.

1. Abstract Rhodopsin ( RHO ) misfolding mutations are a common cause of the blinding disease autosomal dominant retinitis pigmentosa (adRP). The most prevalent mutation, RHO P23H , results in its misfolding and retention in the Endoplasmic Reticulum (ER). Under homeostatic conditions, misfolded proteins are selectively identified, retained at the ER, and cleared via ER-associated degradation (ERAD) and/or autophagy. Overload of these degradation processes for a prolonged period leads to imbalanced proteostasis and may eventually result in cell death. ERAD of misfolded proteins like RHO P23H includes the subsequent steps of protein recognition, targeting for ERAD, retrotranslocation, and proteasomal degradation. In the present study, we investigated and compared pharmacological modulation of ERAD at these four different major steps. We show that inhibition of the VCP/proteasome activity favors cell survival and suppresses P23H-mediated retinal degeneration in RHO P23H rat retinal explants. We suggest targeting this activity as a therapeutic approach for patients with currently untreatable adRP.