Structural studies of parkin activation

Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease after Alzheimer's disease. It affects more than 5 million people worldwide, yet no disease modifying treatment is available for patients. In 5-10 % of the cases, PD is inherited in a typical Mendelian manner. It is through the study of the hereditary forms that we have improved our understanding of the disease.Mutations in the PARK2 or PINK1 genes are the leading causes of the autosomal recessive form of PD. The gene products, the E3 ubiquitin ligase parkin and the kinase PINK1, are neuroprotective proteins, which act together in a mitochondrial quality control pathway. Parkin is a basally inactive protein in the cytosol and is activated by PINK1 on the mitochondria upon damage. PINK1 phosphorylates parkin and ubiquitin, both of which bring full parkin activation. Upon activation by PINK1, parkin attaches ubiquitin molecules to the impaired organelle and leads to their degradation by autophagy, a process termed mitophagy.I carried out structural studies to gain insight into the mechanism of parkin autoinhibition. Crystal structures of parkin uncovered the compact rearrangement of domains, stabilized by multiple hydrophobic interactions. Biophysical studies revealed the mechanism of parkin recruitment and activation on mitochondria in a feed-forward mechanism. This model explains why parkin activity is required for mitochondrial translocation. Using nuclear magnetic resonance titrations and pull-down assays, I found that parkin binding to the brain-specific presynapse- enriched protein endophilin A1 is dependent on parkin activation and requires either phospho- ubiquitin binding or parkin phosphorylation. Parkin binding to endophilin A1 modestly inhibits parkin phosphorylation by PINK1 and attenuates parkin ubiquitin ligases activity; further work is required to identify the potential role of endophilin A1 in regulating mitophagy in neurons. In summary, these studies illustrate the mechanism of parkin autoinhibition and activation and show how parkin activity is attenuated by endophilin A1.La maladie de Parkinson est la deuxième maladie neurodégénérative la plus fréquente après la maladie d'Alzheimer. Elle touche plus de 5 millions de personnes dans le monde, mais aucun traitement n'est encore disponible. Dans 5 à 10% des cas, la maladie de Parkinson est héritée de façon mendélienne. C'est grâce à l'étude de ses formes héréditaires que nous avions amélioré notre compréhension de la maladie.Les mutations dans les gènes PARK2 ou PINK1 sont les principales causes de la forme autosomique récessive du Parkinson. Les produits géniques, soit l'ubiquitine ligase E3 parkine et la kinase PINK1, sont des protéines neuroprotectrices qui agissent ensemble dans une voie de gestion de la qualité mitochondriale. Parkine est une protéine fondamentalement inactive dans le cytosol et est activée par PINK1 sur les mitochondries lorsque celles-ci subissent des dommages. PINK1 phosphoryle parkine et l'ubiquitine, menant à son activation totale, d'où celle-ci attache des molécules d'ubiquitine à l'organelle endommagée et mène à sa dégradation par l'autophagie. Ce processus se nomme la mitophagie.J'ai effectué des études structurales pour mieux comprendre le mécanisme de l'auto- inhibition de pakine. Les structures cristallines de parkine m'ont permis de découvrir l'arrangement compact des domaines, qui d'ailleurs étaient stabilisés par plusieurs interactions hydrophobes. De plus, les études biophysiques réalisées sur la protéine révèlent un mécanisme auto-amplificateur qui permet son recrutement ainsi que son activation sur la surface des mitochondries. Ce modèle démontre pourquoi l'activité de parkine est requise pour la translocation mitochondriale. En réalisant des titrages de résonance magnétique nucléaire et des analyses déroulantes, j'ai constaté que la liaison par parkine à la protéine endophiline A1 présynaptique dépend de l'activation de parkine, et nécessite soit une liaison à la phospho-ubiquitine ou une phosphorylation par parkin. La liaison de parkin à l'endophiline A1 inhibe modiquement la phosphorylation de parkin par PINK1 et atténue l'activité de parkine. Des études supplémentaires devront être effectuées afin d'identifier le rôle potentiel de endophiline A1 dans la régulation de la mitophagie dans les neurones. Bref, ces études démontrent l'autoinhibition de parkine, son mécanisme d'activation, ainsi que comment son activité est atténuée par l'endophiline A1