Genetic Parkinson disease (PD) has been associated with mutations in PINK1 , a gene encoding a mitochondrial kinase implicated in the regulation of mitochondrial degradation. While the studies so far examined PINK1 function in non-neuronal systems or through PINK1 knockdown approaches, there is an imperative to examine the role of endogenous PINK1 in appropriate human-derived and biologically relevant cell models. Here we report the generation of induced pluripotent stem (iPS) cells from skin fibroblasts taken from three PD patients with nonsense (c.1366C>T; p.Q456X) or missense (c.509T>G; p.V170G) mutations in the PINK1 gene. These cells were differentiated into dopaminergic neurons that upon mitochondrial depolarization showed impaired recruitment of lentivirally expressed Parkin to mitochondria, increased mitochondrial copy number, and upregulation of PGC-1α, an important regulator of mitochondrial biogenesis. Importantly, these alterations were corrected by lentiviral expression of wild-type PINK1 in mutant iPS cell-derived PINK1 neurons. In conclusion, our studies suggest that fibroblasts from genetic PD can be reprogrammed and differentiated into neurons. These neurons exhibit distinct phenotypes that should be amenable to further mechanistic studies in this relevant biological context.

TOR1A/TorsinA mutations cause poorly explained neurological diseases. A dominantly inherited mutation causes isolated dystonia, while biallelic mutations cause a recessive infant-onset syndrome with cases of lethality. Here we report an unexpected connection between lipid metabolism and these diseases. Lipin phosphatidic acid phosphatase activity was abnormally regulated in TorsinA dystonia patient cells, and in the brains of three different TorsinA disease model mice. Lipin activity was causative to symptoms given that lowering Lipin1 in vivo strongly intervened against lethality in disease mice. Furthermore, Lipin hyperactivity caused cell death in vitro, and Lipin1 deficiency suppressed neurodegeneration in vivo. In addition, it protected the striatal cholinergic interneurons that are implicated in TorsinA movement disorders, and concomitantly suppressed abnormal motor behaviors of TorsinA mice. These data establish the central role of Lipin lipid enzyme hyperactivity in TorsinA disease and show that Lipin inhibition is a therapeutic target for these incurable conditions.

Abstract Presynaptic dysfunction is an important early process in the pathophysiology of Parkinson’s disease (PD) that drives disease progression. To gain insight into the intrinsic synapse impairment in PD, we performed comprehensive electrophysiological and morphological analysis of iPSC-derived cortical neurons derived from PD patients with the VPS35-D620N mutation. Our findings reveal significant impairment in neurogenesis and synaptogenesis within individual patient neurons, culminating to synaptic dysfunction even in the absence of neuronal interactions. The neurons exhibited significantly reduced synaptic responsiveness, fewer synapse and decreased dendritic length and complexity. Thus, the VPS35-D620N mutation in human cortical neurons independently can cause pathophysiology via synaptic dysfunction. Our study highlights the urgent need to develop disease-modifying therapies aimed at preserving synaptic function in PD.

The etiology of Parkinson's disease (PD) is only partially understood despite the fact that environmental causes, risk factors, and specific gene mutations are contributors to the disease. Biallelic mutations in the PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) gene involved in mitochondrial homeostasis, vesicle trafficking, and autophagy, are sufficient to cause PD. By comparing PD patient-derived cells, we show differences in their energetic profile, imbalanced proliferation, apoptosis, mitophagy, and a reduced differentiation efficiency to dopaminergic neurons compared to control cells. Using CRISPR/Cas9 gene editing, correction of a patient's point mutation ameliorated the metabolic properties and neuronal firing rates but without reversing the differentiation phenotype. However, treatment with 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin (HP-β-CD) increased the mitophagy capacity of neurons leading to an improved dopaminergic differentiation of patient specific neurons in midbrain organoids. In conclusion, we show that treatment with a repurposed compound is sufficient for restoring dopaminergic differentiation of PD patient-derived cells.