LRRK2はFrizzled3のリン酸化と成長円錐-成長円錐通信を制御することで軸索の発生を媒介している

LRRK2 mediates axon development by regulating Frizzled3 phosphorylation and growth cone-growth cone communication.

• Keisuke Onishi
• Runyi Tian
• Bo Feng
• Yiqiong Liu
• Junkai Wang
• Yinan Li
• Yimin Zou

抄録

神経系の配線中の軸索誘導には、軸索相互作用が不可欠である。しかし、成長円錐が誘導の合図を感知して応答しながら、相互にコミュニケーションをとっているかどうか、またどのようにコミュニケーションをとっているかは不明である。我々は、パーキンソン病遺伝子であるロイシン・リッチ・リピート・キナーゼ2（、）が成長円錐-成長円錐間のコミュニケーションに予想外の役割を持っていることを発見した。LRRK2タンパク質は足場として機能し、他のキナーゼをリクルートすることで間接的にFrizzled3の過リン酸化を誘導し、またスレオニン598（T598）上でFrizzled3を直接リン酸化する。シングルノックアウト、ダブルノックアウト、ノックインのいずれかでは、交叉後の脊髄交叉軸索は乱れており、正中線交叉後の前後誘導エラーを示した。ノックアウトマウスとノックインマウスの成長円錐は、相互作用の変化を示し、コミュニケーションの障害を示唆していた。Frizzled3とVangl2の細胞間相互作用は平面細胞極性シグナル伝達に不可欠である。我々は、この相互作用がFrizzled3のT598でのリン酸化によって制御され、LRRK2によってキナーゼ活性に依存した方法で制御されることをここで示した。ダブルノックアウトまたはノックインでは、中脳のドーパミン作動性軸索束は有意に拡がり、乱れて見え、異常な後方向成長を示した。これらの知見は、LRRK2が軸索誘導における成長円錐-成長円錐通信を制御していること、また、機能喪失変異と機能獲得変異（機能獲得変異）の両方が発生時に軸索誘導障害を引き起こすことを示している。

Axon-axon interactions are essential for axon guidance during nervous system wiring. However, it is unknown whether and how the growth cones communicate with each other while sensing and responding to guidance cues. We found that the Parkinson's disease gene, leucine-rich repeat kinase 2 (, has an unexpected role in growth cone-growth cone communication. The LRRK2 protein acts as a scaffold and induces Frizzled3 hyperphosphorylation indirectly by recruiting other kinases and also directly phosphorylates Frizzled3 on threonine 598 (T598). In or single knockout, double knockout, and knockin, the postcrossing spinal cord commissural axons are disorganized and showed anterior-posterior guidance errors after midline crossing. Growth cones from either knockout or knockin mice showed altered interactions, suggesting impaired communication. Intercellular interaction between Frizzled3 and Vangl2 is essential for planar cell polarity signaling. We show here that this interaction is regulated by phosphorylation of Frizzled3 at T598 and can be regulated by LRRK2 in a kinase activity-dependent way. In the double knockout or knockin, the dopaminergic axon bundle in the midbrain was significantly widened and appeared disorganized, showing aberrant posterior-directed growth. Our findings demonstrate that LRRK2 regulates growth cone-growth cone communication in axon guidance and that both loss-of-function mutation and a gain-of-function mutation ( cause axon guidance defects in development.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.