A hallmark of Parkinson's disease (PD) is the preferential loss of substantia nigra dopamine neurons. Here, we identify a new parkin interacting substrate, PARIS (ZNF746), whose levels are regulated by the ubiquitin proteasome system via binding to and ubiquitination by the E3 ubiquitin ligase, parkin. PARIS is a KRAB and zinc finger protein that accumulates in models of parkin inactivation and in human PD brain. PARIS represses the expression of the transcriptional coactivator, PGC-1α and the PGC-1α target gene, NRF-1 by binding to insulin response sequences in the PGC-1α promoter. Conditional knockout of parkin in adult animals leads to progressive loss of dopamine (DA) neurons in a PARIS-dependent manner. Moreover, overexpression of PARIS leads to the selective loss of DA neurons in the substantia nigra, and this is reversed by either parkin or PGC-1α coexpression. The identification of PARIS provides a molecular mechanism for neurodegeneration due to parkin inactivation.PaperClip/cms/asset/02652a4a-b711-4da3-b11f-91b0eaf7ff20/mmc2.mp3Loading ...(mp3, 4.36 MB) Download audio

Activation of microglia by classical inflammatory mediators can convert astrocytes into a neurotoxic A1 phenotype in a variety of neurological diseases1,2. Development of agents that could inhibit the formation of A1 reactive astrocytes could be used to treat these diseases for which there are no disease-modifying therapies. Glucagon-like peptide-1 receptor (GLP1R) agonists have been indicated as potential neuroprotective agents for neurologic disorders such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease3-13. The mechanisms by which GLP1R agonists are neuroprotective are not known. Here we show that a potent, brain-penetrant long-acting GLP1R agonist, NLY01, protects against the loss of dopaminergic neurons and behavioral deficits in the α-synuclein preformed fibril (α-syn PFF) mouse model of sporadic Parkinson's disease14,15. NLY01 also prolongs the life and reduces the behavioral deficits and neuropathological abnormalities in the human A53T α-synuclein (hA53T) transgenic mouse model of α-synucleinopathy-induced neurodegeneration16. We found that NLY01 is a potent GLP1R agonist with favorable properties that is neuroprotective through the direct prevention of microglial-mediated conversion of astrocytes to an A1 neurotoxic phenotype. In light of its favorable properties, NLY01 should be evaluated in the treatment of Parkinson's disease and related neurologic disorders characterized by microglial activation.

Mutations in PARK2/Parkin , which encodes a ubiquitin E3 ligase, cause autosomal recessive Parkinson disease (PD). Here we show that the nonreceptor tyrosine kinase c-Abl phosphorylates tyrosine 143 of parkin, inhibiting parkin's ubiquitin E3 ligase activity and protective function. c-Abl is activated by dopaminergic stress and by dopaminergic neurotoxins, 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP + ) in vitro and in vivo by 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), leading to parkin inactivation, accumulation of the parkin substrates aminoacyl-tRNA synthetase-interacting multifunctional protein type 2 (AIMP2) (p38/JTV-1) and fuse-binding protein 1 (FBP1), and cell death. STI-571, a c-Abl-family kinase inhibitor, prevents the phosphorylation of parkin, maintaining parkin in a catalytically active and protective state. STI-571’s protective effects require parkin, as shRNA knockdown of parkin prevents STI-571 protection. Conditional knockout of c-Abl in the nervous system also prevents the phosphorylation of parkin, the accumulation of its substrates, and subsequent neurotoxicity in response to MPTP intoxication. In human postmortem PD brain, c-Abl is active, parkin is tyrosine-phosphorylated, and AIMP2 and FBP1 accumulate in the substantia nigra and striatum. Thus, tyrosine phosphorylation of parkin by c-Abl is a major posttranslational modification that inhibits parkin function, possibly contributing to pathogenesis of sporadic PD. Moreover, inhibition of c-Abl may be a neuroprotective approach in the treatment of PD.

Ubiquitin mediated protein degradation is crucial for regulation of cell signaling and protein quality control. Poly(ADP-ribose) (PAR) is a cell-signaling molecule that mediates changes in protein function through binding at PAR binding sites. Here we characterize the PAR binding protein, Iduna, and show that it is a PAR-dependent ubiquitin E3 ligase. Iduna’s E3 ligase activity requires PAR binding because point mutations at Y156A and R157A eliminate Iduna’s PAR binding and Iduna’s E3 ligase activity. Iduna’s E3 ligase activity also requires an intact really interesting new gene (RING) domain because Iduna possessing point mutations at either H54A or C60A is devoid of ubiquitination activity. Tandem affinity purification reveals that Iduna binds to a number of proteins that are either PARsylated or bind PAR including PAR polymerase-1, 2 (PARP1, 2), nucleolin, DNA ligase III, KU70, KU86, XRCC1, and histones. PAR binding to Iduna activates its E3 ligase function, and PAR binding is required for Iduna ubiquitination of PARP1, XRCC1, DNA ligase III, and KU70. Iduna’s PAR-dependent ubiquitination of PARP1 targets it for proteasomal degradation. Via PAR binding and ubiquitin E3 ligase activity, Iduna protects against cell death induced by the DNA damaging agent N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG) and rescues cells from G1 arrest and promotes cell survival after γ-irradiation. Moreover, Iduna facilitates DNA repair by reducing apurinic/apyrimidinic (AP) sites after MNNG exposure and facilitates DNA repair following γ-irradiation as assessed by the comet assay. These results define Iduna as a PAR-dependent E3 ligase that regulates cell survival and DNA repair.

c-Abl is activated in the brain of Parkinson's disease (PD) patients and in 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)-intoxicated mice where it inhibits parkin through tyrosine phosphorylation leading to the accumulation of parkin substrates and neuronal cell death. In the present study, we evaluated the in vivo efficacy of nilotinib, a brain penetrant c-Abl inhibitor, in the acute MPTP-induced model of PD. Our results show that administration of nilotinib reduces c-Abl activation and the levels of the parkin substrate, PARIS, resulting in prevention of dopamine (DA) neuron loss and behavioral deficits following MPTP intoxication. On the other hand, we observe no reduction in the tyrosine phosphorylation of parkin and the parkin substrate, AIMP2 suggesting that the protective effect of nilotinib may, in part, be parkin-independent or to the pharmacodynamics properties of nilotinib. This study provides a strong rationale for testing other brain permeable c-Abl inhibitors as potential therapeutic agents for the treatment of PD.

Mutations in parkin lead to early-onset autosomal recessive Parkinson's disease (PD) and inactivation of parkin is thought to contribute to sporadic PD. Adult knockout of parkin in the ventral midbrain of mice leads to an age-dependent loss of dopamine neurons that is dependent on the accumulation of parkin interacting substrate (PARIS), zinc finger protein 746 (ZNF746), and its transcriptional repression of PGC-1α. Here we show that adult knockout of parkin in mouse ventral midbrain leads to decreases in mitochondrial size, number, and protein markers consistent with a defect in mitochondrial biogenesis. This decrease in mitochondrial mass is prevented by short hairpin RNA knockdown of PARIS. PARIS overexpression in mouse ventral midbrain leads to decreases in mitochondrial number and protein markers and PGC-1α-dependent deficits in mitochondrial respiration. Taken together, these results suggest that parkin loss impairs mitochondrial biogenesis, leading to declining function of the mitochondrial pool and cell death.

Abstract The application of extracellular vesicles (EVs) as vehicles for anti‐Parkinson's agents represents a significant advance, yet their clinical translation is hampered by challenges in efficient brain delivery and complex blood‐brain barrier (BBB) targeting strategies. In this study, we engineered dopamine onto the surface of adipose‐derived stem cell EVs (Dopa‐EVs) utilizing a facile, two‐step cross‐linking approach. This engineering enhanced neuronal uptake of the EVs in primary neurons and neuroblastoma cells, a process shown to be competitively inhibited by dopamine pretreatment and dopamine receptor antibodies. Notably, Dopa‐EVs demonstrated increased brain accumulation in mouse Parkinson's disease (PD) models. Therapeutically, Dopa‐EVs administration led to the rescue of dopaminergic neuronal loss and amelioration of behavioural deficits in both 6‐hydroxydopamine (6‐OHDA) and α‐Syn PFF‐induced PD models. Furthermore, we observed that Dopa‐EVs stimulated autophagy evidenced by the upregulation of Beclin‐1 and LC3‐II. These findings collectively indicate that surface modification of EVs with dopamine presents a potent strategy for targeting dopaminergic neurons in the brain. The remarkable therapeutic potential of Dopa‐EVs, demonstrated in PD models, positions them as a highly promising candidate for PD treatment, offering a significant advance over current therapeutic modalities.

Activation of the Nlrp3 inflammasome consisting of three major components, Nlrp3, Asc, and pro-caspase-1, results in the activation of caspase-1 and subsequent proteolytic cleavage of pro-IL-1β and pro-IL-18. To avoid excessive inflammatory response, the Nlrp3 inflammasome has to be precisely controlled. In this study, we show that the mouse mitochondrial E3 ubiquitin protein ligase (Mul1) suppresses Nlrp3 inflammasome activation through ubiquitination and degradation of Asc. In J774A.1 cells, Mul1 overexpression attenuated Nlrp3 activation, whereas Mul1 knockdown augmented Nlrp3 activation in terms of IL-1β secretion and cleavage of pro-caspase-1 and pro-IL-1β. Mul1 interacted with Asc, and ubiquitinated it at K21, K22, K26, and K55 residues, in a K48-linked manner, leading to proteasomal degradation. Convincingly, Mul1-mediated suppression of Nlrp3 activation was inhibited by K21R-, K22R-, K26R-, K52R-Asc mutants in RAW264.7 cells, when compared with the wild-type Asc. Furthermore, Aim2 inflammasome activation was also inhibited by Mul1 in the wild-type Asc-, but not in mutant Asc-expressing RAW264.7 cells. Taken together, these data suggest that Mul1 suppresses Nlrp3 inflammasome activation, through Asc ubiquitination and degradation.

Background: Parkinson's disease (PD) is characterized by diverse clinical presentations and etiological complexities, with rapid eye movement (REM) sleep behavior disorder (RBD) serving as a prodromal marker. While extensive unbiased metabolic profiling of plasma samples from PD subjects has been conducted to identify novel PD metabolic biomarkers, comprehensive metabolic profiling of PD subtypes based on RBD status remains limited. Methods: We conducted a comprehensive metabolic profiling of PD subtypes at disease onset, considering the presence or absence of RBD, utilizing an untargeted metabolomics approach. Plasma samples were collected from subjects with PD with and without RBD at the initial stages of disease, idiopathic RBD, and healthy controls to elucidate similarities and differences among PD subtypes. Based on ordination analysis and metabolome-wide association study (Wilcoxon rank-sum tests and generalized fold changes), we identified specific groups of metabolites enriched in the PD_Only group and RBD groups (iRBD & PD_RBD+), with few metabolites shared between groups. Furthermore, pathway enrichment analysis (hypergeometric tests) identified specific groups enriched with metabolites from specific origins and associated biospecimens, as well as disease-associated metabolites. Finally, we evaluated the biomarker potential of the identified disease metabolites by ROC curves and proposed logistic regression models of key biomarkers and clinical parameters for predicting disease status. Results: Metabolomic analysis revealed distinct metabolic profiles between PD subtypes with and without RBD. Our analysis confirmed previously reported PD metabolic markers, such as a reduction in caffeine and urate, as well as an increase in cortisol, secondary bile acids, and p-cresol sulfate. However, our stratified analyses based on the presence of RBD discriminated RBD-associated metabolites from those associated with PD_Only (without RBD). PD patients with RBD exhibited enrichment of gut microbial-origin metabolites, including secondary bile acids and p-cresol sulfate, compared to PD patients without RBD. Conversely, metabolites associated with neuro-psychiatric diseases were enriched in PD patients without RBD. Conclusions: Our study elucidates the heterogeneous nature of PD subtypes, particularly differentiated with the presence of RBD. The metabolic features of PD with RBD subtype supports the "body-first" concept of PD pathogenesis originating from the gut.