Signal Transduction Pathways Modulated by the PD-causative Gene LRRK2

Abstract

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most frequent cause of autosomal-dominant Parkinson’s disease (PD). Post-mortem studies in PD brains have shown that alpha-synuclein (SNCA) aggregation is a frequent neuropathological hallmark of LRRK2-associated PD, However, the pathogenic mechanisms linking LRRK2 and SNCA are largely unknown. The LRRK2 kinase domain shares homology to mitogen-activated protein kinase kinase kinases (MAPKKKs) and its kinase activity has been suggested to be a key factor for LRRK2 pathogenesis. The objective of our study was to investigate the role of LRRK2 in PD-relevant signal transduction pathways and to identify putative downstream targets. Our results show that over-expression of wild-type LRRK2 in human embryonic kidney HEK293 cells induced the phosphorylation of extracellular signal-regulated kinases (ERK1/2) up to 4-fold without affecting basal levels of total ERK. Mutants R1441C and G2019S, but not kinase dead (KD), induced ERK activation to the same extent as wild-type LRRK2, indicating that ERK activation is dependent on LRRK2 kinase activity. Nonetheless, the time course of R1441C and G2019S induction was slower than that for wild-type LRRK2, despite similar expression levels. Furthermore, activation of the ERK pathway by LRRK2 was associated with an increase of almost 2-fold in SNCA mRNA, together with a small but significant increase in SNCA protein. Interestingly, SNCA up-regulation could be suppressed by treatment with the inhibitor U0126, which specifically blocks MEK1/2 activation, indicating that SNCA is induced by LRRK2 through ERK1/2 MAPK activation. This pathway links the two dominant PD-associated genes LRRK2 and SNCA, and opens a novel venue that may be relevant to pursuit the pathophysiology in both familial and sporadic PD and to search potential therapeutic targets.

Mutationen im leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) Gen sind die häufigste Ursache der autosomal-dominanten Form der Parkinson-Krankheit (PK). Postmortem Untersuchungen an PK Hirngeweben haben gezeigt, dass die Aggregation des Proteins alpha-Synuclein (SNCA) ein häufiger neuropathologischer Befund der LRRK2-assozierten PK darstellt. Allerdings sind die pathogenetischen Mechanismen, die LRRK2 und SNCA verknüpfen grossteils noch unbekannt. Die LRRK2 Kinase Domäne weist strukturelle Ähnlichkeiten mit Proteinkinase Kinase Kinasen (MAPKKKs) auf und diese Kinase Aktivität scheint eine wichtige Rolle in der LRRK2 Pathogenese zu spielen. Das Ziel unserer Studie war, die Rolle von LRRK2 in PK-relevanten Signalwegen zu untersuchen und die vermeintlich nachgeschalteten Targets zu identifizieren. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die Überexpression von LRRK2 Wildtyp in humanen embryonalen Nierenzellen HEK293, die (bis zur vierfachen) Phosphorylierung von extrazellulären signalregulierten Kinasen (ERK1/2) induziert, ohne die Basiswerte des Gesamt-ERK zu ändern. Im Gegensatz zu den “kinase dead” (KD), haben nur die Mutanten R1441C und G2019S im gleichen Ausmass wie LRRK2 Wildtyp ERK aktiviert. Die Ergebnisse dieser Versuche weis darauf hin, dass die ERK Aktivierung von der LRRK2 Kinase-Aktivität abhängt. Allerdings war die Induktion durch R1441C und G2019S langsamer als bei LRRK2 Wildtyp, trotz vergleichbarer Expressionswerte. Darüber hinaus war die Aktivierung des ERK- Signalweges durch LRRK2 mit einer fast doppelten Zunahme der mRNS SNCA und einer geringen, jedoch signifikanten Erhöhung des alpha-Synuclein Proteins verbunden. Interessanterweise konnte die SNCA Überexpression durch Behandlung mit dem U0126 Inhibitor, der spezifisch die MEK1/2 Aktivierung blockiert, unterdrückt werden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass SNCA durch LRRK2 über die ERK1/2 MAPK Aktivierung induziert wird. Dieser Signalweg verknüpft somit die beiden Gene, die mit der autosomal-dominant vererbten Form der Parkinson-Krankheit assoziiert sind und öffnet neue Wege, die für das Verständnis der Physiopathologie der sporadischen und familiären Form des PK sowie für die Suche neuer gezielter Therapieansätze wichtig sein könnten.