Mutations in Park8, encoding for the multidomain Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) protein, comprise the predominant genetic cause of Parkinson's disease (PD). G2019S, the most common amino acid substitution activates the kinase two- to threefold. This has motivated the development of LRRK2 kinase inhibitors; however, poor consensus on physiological LRRK2 substrates has hampered clinical development of such therapeutics. We employ a combination of phosphoproteomics, genetics, and pharmacology to unambiguously identify a subset of Rab GTPases as key LRRK2 substrates. LRRK2 directly phosphorylates these both in vivo and in vitro on an evolutionary conserved residue in the switch II domain. Pathogenic LRRK2 variants mapping to different functional domains increase phosphorylation of Rabs and this strongly decreases their affinity to regulatory proteins including Rab GDP dissociation inhibitors (GDIs). Our findings uncover a key class of bona-fide LRRK2 substrates and a novel regulatory mechanism of Rabs that connects them to PD.

We previously reported that Parkinson’s disease (PD) kinase LRRK2 phosphorylates a subset of Rab GTPases on a conserved residue in their switch-II domains (Steger et al., 2016) (PMID: 26824392). Here, we systematically analyzed the Rab protein family and found 14 of them (Rab3A/B/C/D, Rab5A/B/C, Rab8A/B, Rab10, Rab12, Rab29, Rab35 and Rab43) to be specifically phosphorylated by LRRK2, with evidence for endogenous phosphorylation for ten of them (Rab3A/B/C/D, Rab8A/B, Rab10, Rab12, Rab35 and Rab43). Affinity enrichment mass spectrometry revealed that the primary ciliogenesis regulator, RILPL1 specifically interacts with the LRRK2-phosphorylated forms of Rab8A and Rab10, whereas RILPL2 binds to phosphorylated Rab8A, Rab10, and Rab12. Induction of primary cilia formation by serum starvation led to a two-fold reduction in ciliogenesis in fibroblasts derived from pathogenic LRRK2-R1441G knock-in mice. These results implicate LRRK2 in primary ciliogenesis and suggest that Rab-mediated protein transport and/or signaling defects at cilia may contribute to LRRK2-dependent pathologies.

The exon junction complex (EJC) plays a major role in posttranscriptional regulation of mRNA in metazoa. The EJC is deposited onto mRNA during splicing and is transported to the cytoplasm where it influences translation, surveillance, and localization of the spliced mRNA. The complex is formed by the association of four proteins (eIF4AIII, Barentsz [Btz], Mago, and Y14), mRNA, and ATP. The 2.2 Å resolution structure of the EJC reveals how it stably locks onto mRNA. The DEAD-box protein eIF4AIII encloses an ATP molecule and provides the binding sites for six ribonucleotides. Btz wraps around eIF4AIII and stacks against the 5′ nucleotide. An intertwined network of interactions anchors Mago-Y14 and Btz at the interface between the two domains of eIF4AIII, effectively stabilizing the ATP bound state. Comparison with the structure of the eIF4AIII-Btz subcomplex that we have also determined reveals that large conformational changes are required upon EJC assembly and disassembly.

Intraflagellar transport (IFT) of ciliary precursors such as tubulin from the cytoplasm to the ciliary tip is involved in the construction of the cilium, a hairlike organelle found on most eukaryotic cells. However, the molecular mechanisms of IFT are poorly understood. Here, we found that the two core IFT proteins IFT74 and IFT81 form a tubulin-binding module and mapped the interaction to a calponin homology domain of IFT81 and a highly basic domain in IFT74. Knockdown of IFT81 and rescue experiments with point mutants showed that tubulin binding by IFT81 was required for ciliogenesis in human cells.

Abstract Cilia are ubiquitous eukaryotic organelles important to cellular motility, signalling and sensory reception. Cilium formation requires intraflagellar transport for trafficking of structural and signalling components. The large MDa IFT-B complex constitutes the backbone of polymeric IFT trains that carry ciliary cargo between the cilium and the cell body. Currently, high-resolution structures are only available for smaller IFT-B sub-complexes leaving >50% of the IFT-B complex structurally uncharacterized. We have used recent advances in protein structure prediction as implemented in Alphafold to assemble a structural model for the 15-subunit IFT-B complex. The model was validated using crosslinking/MS data on reconstituted IFT-B complexes, X-ray scattering in solution and diffraction from crystals as well as site-directed mutagenesis and protein binding assays. The IFT-B structural model reveals an elongated and highly flexible complex consistent with cryo-electron tomographic reconstructions of IFT trains. The >400Å long IFT-B complex can roughly be divided into IFT-B1 and IFT-B2 parts with binding sites for ciliary cargo and the inactive IFT dynein motor, respectively. Interestingly, our structural modelling and crosslinking/MS results are consistent with two different binding sites for IFT81/74 on IFT88/70/52/46 suggesting the possibility of two different structural architectures for the IFT-B1 complex. Our data present a structural framework to understand IFT-B complex assembly, function, and ciliopathy variants.

Abstract Cilia are important organelles for signaling and motility and are constructed via intraflagellar transport (IFT). RabL2 is a small Rab-like GTPase that localizes to the basal body of cilia via an interaction with the centriolar protein CEP19 before downstream association with the IFT machinery to regulate the initiation of IFT. We have mapped the interaction with RabL2 to residues 107-195 of CEP19, purified the RabL2-CEP19 complex to show that CEP19 is not a GTPase activator protein for RabL2. In contrast, a reconstituted pentameric IFT complex containing IFT81/74 enhances the GTP hydrolysis in RabL2 by 20-fold. The binding site on IFT81/74 that promotes GTP hydrolysis in RabL2 is mapped to a 70 amino acid long coiled-coil region of IFT81/74. We present structural models for minimal IFT81/74-RabL2 complexes and demonstrate that the Chlamydomonas IFT81/74 complex enhances GTP hydrolysis of human RabL2 suggesting an ancient evolutionarily conserved function. Our results provide a mechanistic understanding of RabL2 function in the initiation step of IFT and a molecular rationale for why RabL2 dissociates from anterograde IFT trains soon after departure from the ciliary base.

Abstract Eukaryotic cells employ three SMC complexes to control DNA folding and topology. The Smc5/6 complex plays roles in DNA repair and in preventing the accumulation of deleterious DNA junctions. To elucidate how specific features of Smc5/6 govern these functions, we reconstituted the yeast holo-complex. We found that the Nse5/6 sub-complex strongly inhibited the Smc5/6 ATPase by preventing productive ATP binding. This inhibition was relieved by plasmid DNA binding but not by short linear DNA, while opposing effects were observed without Nse5/6. We uncovered two binding sites for Nse5/6 on Smc5/6, based on an Nse5/6 crystal structure and cross-linking mass spectrometry data. One binding site is located at the Smc5/6 arms and one at the heads, the latter likely exerting inhibitory effects on ATP hydrolysis. Cysteine cross-linking demonstrated that the interaction with Nse5/6 anchored the ATPase domains in a non-productive state, which was destabilized by ATP and DNA. Under similar conditions, the Nse4/3/1 module detached from the ATPase. Altogether, we show how DNA substrate selection is modulated by direct inhibition of the Smc5/6 ATPase by Nse5/6.

Polarized vesicular trafficking directs specific receptors and ion channels to the primary cilium, but the underlying mechanisms are poorly understood. Here we identify a key role for discs large MAGUK scaffold protein 1 (DLG1), a core component of the Scribble polarity complex, in regulating ciliary protein trafficking in kidney epithelial cells. Conditional knockout of Dlg1 in mouse kidney caused ciliary elongation and cystogenesis, and cell-based proximity labelling proteomics and fluorescence microscopy showed alterations in the ciliary proteome upon loss of DLG1. Specifically, serologically defined colon cancer antigen-3 (SDCCAG3) and intraflagellar transport protein 20 (IFT20), previously implicated in ciliary targeting of polycystin-2 (PC2), as well as PC2 itself, were reduced in cilia of DLG1 deficient cells compared to control cells. This phenotype was recapitulated in vivo and rescuable by re-expression of wildtype DLG1, but not a Congenital Anomalies of the Kidney and Urinary Tract (CAKUT)-associated DLG1 missense variant. Moreover, using biochemical approaches and Alpha Fold modelling we provide evidence that DLG1 associates physically with SDCCAG3 and IFT20, which in turn bind directly to each other. Our work thus identifies a key role for DLG1 in mediating ciliary targeting of PC2 and other proteins and implicates ciliary dysfunction as a possible contributing factor to CAKUT.

Cyclic nucleotide binding domains (CNB) confer allosteric regulation by cAMP or cGMP to many signalling proteins, including PKA and PKG. PKA of phylogenetically distant Trypanosoma is the first exception as it is cyclic nucleotide independent and responsive to nucleoside analogues (Bachmaier et al. 2019). Here we show that natural nucleosides inosine, guanosine and adenosine are nanomolar affinity CNB ligands and activators of PKA orthologs of the important tropical pathogens T. brucei, T. cruzi and Leishmania . The sequence and structural determinants of binding affinity, -specificity and kinase activation of PKAR were established by structure-activity relationship (SAR) analysis, co-crystal structures and mutagenesis. Substitution of 2-3 amino acids in the binding sites is sufficient for conversion of CNB domains from nucleoside to cyclic nucleotide specificity. In addition, a trypanosomatid-specific C-terminal helix (αD) is required for high affinity binding to CNB-B. The αD helix functions as a lid of the binding site that shields ligands from solvent. Selectivity of guanosine for CNB-B and of adenosine for CNB-A results in synergistic kinase activation at low nanomolar concentration. PKA pulldown from rapid lysis establishes guanosine as the predominant ligand in vivo in T. brucei bloodstream forms, whereas guanosine and adenosine seem to synergize in the procyclic developmental stage in the insect vector. We discuss the versatile use of CNB domains in evolution and recruitment of PKA for novel nucleoside-mediated signalling.