Full-length LRRK2 activation cycle and dimer-monomer equilibrium

Nieuw inzicht in de complexe activatiecyclus van Parkinson-gen LRRK2

Mutaties in het Leucine-rich repeat Kinase 2 (LRRK2) gen zijn direct gelinkt aan de ziekte van Parkinson (PD). Biochemisch en cellulaire studies hebben laten zien dat LRRK2 in het cytosol lage activiteit heeft en een verhoogde activiteit als het gebonden is aan membranen in de cel. In het cytosol is LRRK2 voornamelijk een monomeer, terwijl het aan de membraan dimeren vormt.

Roco-eiwitten worden gekarakteriseerd door een centraal Roc- en CORdomein. Voor het bacterieel Chlorobium tepidum Roco (CtRoco) eiwit is aangetoond dat het circuleert tussen een monomerische en dimerische toestand bij de binding en hydrolyse van GTP. Het was echter onduidelijk of ook ander Roco-eiwitten, inclusief LRRK2, op dezelfde manier geactiveerd worden. In haar proefschrift heeft Xiaojuan Zhang biochemische en biofysische technieken gecombineerd met structuurbiologie en modelleren. Ze laat zien dat ook een  ander prokaryoot Roco-eiwit, Methanosacrcina barkeri (Mb) RocCOR, door een monomeer-dimeer cyclus gaat. De analoge LRRK2 Y1699C mutatie in MbRocCOR induceert een snellere dimeer-monomeertransitie, wat resulteert in een efficiëntere GTPase cycle.  We zijn er voor het eerst in geslaagd om het LRRK2 RocCOR te zuiveren uit bacteriecellen. Het opgezuiverde RocCOR-eiwit heeft een vergelijkbare GTPase-activiteit als het complete LRRK2-eiwit. Initiële EM-analyse laten zien dat het RocCOR domein een monomeer- en een dimeerconformatie heeft en dat de PD-mutatie Y1699C het monomeer-dimeerevenwicht verstoord.

Zhang ontdekte een nieuwe negatieve feedback regulatieloop van het kinase naar Roc-domein ontdekt. Auto-fosforylatie van LRRK2 T1343 in het p-loopmotief van het Roc-domein is cruciaal voor zowel de monimerisatie en regulatie van GTPase-activiteit.

Zhang ontwierp en synthetiseerde tenslotte α-helix peptiden (kleine stukjes eiwit), met het doel om die te binden aan het RocCOR-domein en daarmee LRRK2-dimerisatie te verstoren. Haar gegevens laten zien dat de peptiden inderdaad leiden tot minder LRRK2-dimerisatie,  een verlaagde kinase-activiteit en remming van PD-gekoppelde celdood in primaire corticale neuronen. Al met al geeft haar proefschrift nieuw inzicht in de complexe LRRK2-activatiecyclus.  LRRK2-monomeerdimerisatie is een cruciale stap voor LRRK2-activatie en de verschillende PD-mutaties beïnvloeden de cyclus op een andere manier. Vervolgens hebben we deze data gebruikt om een proof-of-concept te bieden voor nieuwe alternatieve manieren om de verhoogde pathogene kinase-activiteit te reguleren.

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/bec21246-7882-45ed-9d07-98ae1eb85f58