Phosphorylation of an autophagy receptor restricts pathogenic cytosolic bacterial growth.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a genetically heterogeneous neurodegenerative syndrome hallmarked by adult-onset loss of motor neurons. We performed exome sequencing of 252 familial ALS (fALS) and 827 control individuals. Gene-based rare variant analysis identified an exome-wide significant enrichment of eight loss-of-function (LoF) mutations in TBK1 (encoding TANK-binding kinase 1) in 13 fALS pedigrees. No enrichment of LoF mutations was observed in a targeted mutation screen of 1,010 sporadic ALS and 650 additional control individuals. Linkage analysis in four families gave an aggregate LOD score of 4.6. In vitro experiments confirmed the loss of expression of TBK1 LoF mutant alleles, or loss of interaction of the C-terminal TBK1 coiled-coil domain (CCD2) mutants with the TBK1 adaptor protein optineurin, which has been shown to be involved in ALS pathogenesis. We conclude that haploinsufficiency of TBK1 causes ALS and fronto-temporal dementia.

Significance Selective autophagy of damaged mitochondria (mitophagy) requires protein kinases PINK1 and TBK1, ubiquitin ligase Parkin, and autophagy receptors such as OPTN, driving ubiquitin-labeled mitochondria into autophagosomes. Because all proteins have been genetically linked to either Parkinson’s disease (PINK1 and Parkin) or amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal lobar degeneration (TBK1 and OPTN), it is of great interest to understand their physiological functions. By utilizing quantitative proteomics we show that TBK1 phosphorylates four receptors on several autophagy-relevant sites. Constitutive interaction of TBK1 with OPTN and the ability of OPTN to bind to ubiquitin chains are essential for TBK1 recruitment and activation on mitochondria. TBK1-mediated phosphorylation of OPTN creates a signal amplification loop through combining recruitment and retention of OPTN/TBK1 on ubiquitinated mitochondria.