Abstract LRRK2 is a kinase involved in different cellular functions, including autophagy, endolysosomal pathways and vesicle trafficking. Mutations in LRRK2 cause autosomal dominant forms of Parkinson’s disease (PD). Heterozygous mutations in GBA1 , the gene encoding the lysosomal enzyme glucocerebrosidase (GCase), are the most common genetic risk factors for PD. Moreover, GCase function is altered in idiopathic PD and in other genetic forms of the disease. Recent work suggests that LRRK2 kinase activity can regulate GCase function. However, both a positive and a negative correlation have been described. To gain insights into the impact of LRRK2 on GCase, we investigated GCase levels and activity in LRRK2 G2019S knockin mice, in clinical biospecimens from PD patients carrying this mutation and in patient-derived cellular models. In these models we found a positive correlation between the activities of LRRK2 and GCase, which was further confirmed in cell lines with genetic and pharmacological manipulation of LRRK2 kinase activity. Overall, our study indicates that LRRK2 kinase activity affects both the levels and the catalytic activity of GCase.

Abstract Fibrillary aggregation of α-synuclein in Lewy body inclusions and nigrostriatal dopaminergic neuron degeneration define Parkinson’s disease neuropathology. Mutations in GBA1, encoding glucocerebrosidase, are the most frequent genetic risk factor for Parkinson’s disease. However, the lack of reliable experimental models able to reproduce key neuropathological signatures has hampered the clarification of the link between mutant glucocerebrosidase and Parkinson’s disease pathology. Here, we describe an innovative protocol for the generation of human induced pluripotent stem cell-derived midbrain organoids containing dopaminergic neurons with nigral identity that reproduce characteristics of advanced maturation. When applied to patients with GBA1-related Parkinson’s disease, this method enabled the differentiation of midbrain organoids recapitulating dopaminergic neuron loss and fundamental features of Lewy body pathology observed in human brains, including the generation of α-synuclein fibrillary aggregates with seeding activity that also propagate pathology in healthy control organoids. Still, we observed that the retention of mutant glucocerebrosidase in the endoplasmic reticulum and increased levels of its substrate glucosylceramide are determinants of α-synuclein aggregation into Lewy body-like inclusions. Consistently, the reduction of glucocerebrosidase activity accelerated α-synuclein pathology by promoting fibrillary α-synuclein deposition. Finally, we demonstrated the efficacy of ambroxol and GZ667161 – two modulators of the glucocerebrosidase pathway in clinical development for the treatment of GBA1-related Parkinson’s disease – in reducing α-synuclein pathology in this model, supporting the use of midbrain organoids as a relevant pre-clinical platform for investigational drug screening.