Abstract Accurate chromosome segregation, controlled by kinetochore-mediated chromatid attachments to the mitotic spindle, ensures the faithful inheritance of genetic information. Kinetochores assemble onto specialized CENP-A nucleosomes (CENP-A Nuc ) of centromeric chromatin. In humans, this is mostly organized as thousands of copies of an ∼171 bp α -satellite repeat. Here, we describe the cryo-EM structure of the human inner kinetochore CCAN (Constitutive Centromere Associated Network) complex bound to CENP-A Nuc reconstituted onto α-satellite DNA. CCAN forms edge-on contacts with CENP-A Nuc , while a linker DNA segment of the α-satellite repeat emerges from the fully-wrapped end of the nucleosome to thread through the central CENP-LN channel which tightly grips the DNA. The CENP-TWSX histone-fold module, together with CENP-HIK Head , further augments DNA binding and partially wraps the linker DNA in a manner reminiscent of canonical nucleosomes. Our study suggests that the topological entrapment of the α -satellite repeat linker DNA by CCAN provides a robust mechanism by which the kinetochore withstands the pushing and pulling of centromeres associated with chromosome congression and segregation forces. One-Sentence Summary The human inner kinetochore CCAN complex tightly grips the linker DNA of the α-satellite CENP-A nucleosome.

Summary The point centromere of budding yeast specifies assembly of the large multi-subunit kinetochore complex. By direct attachment to the mitotic spindle, kinetochores couple the forces of microtubule dynamics to power chromatid segregation at mitosis. Kinetochores share a conserved architecture comprising the centromere-associated inner kinetochore CCAN (constitutive centromere-associated network) complex and the microtubule-binding outer kinetochore KMN network. The budding yeast inner kinetochore additionally includes the centromere-binding CBF1 and CBF3 complexes. Here, we reconstituted the complete yeast inner kinetochore complex assembled onto the centromere-specific CENP-A nucleosome (CENP-A Nuc ) and determined its structure using cryo-EM. This revealed a central CENP-A Nuc , wrapped by only one turn of DNA, and harboring extensively unwrapped DNA ends. These free DNA duplexes function as binding sites for two CCAN protomers, one of which entraps DNA topologically and is positioned precisely on the centromere by the sequence-specific DNA-binding complex CBF1. The CCAN protomers are connected through CBF3 to form an arch-like configuration, binding 150 bp of DNA. We also define a structural model for a CENP-A Nuc -pathway to the outer kinetochore involving only CENP-QU. This study presents a framework for understanding the basis of complete inner kinetochore assembly onto a point centromere, and how it organizes the outer kinetochore for robust chromosome attachment to the mitotic spindle.

Abstract Faithful chromosome segregation requires robust, load-bearing attachments of chromosomes to the mitotic spindle, a function accomplished by large macromolecular complexes termed kinetochores. In most eukaryotes, the constitutive centromere-associated network (CCAN) complex of the inner kinetochore recruits to centromeres the ten-subunit outer kinetochore KMN network, which comprises the KNL1C, MIS12C and NDC80C complexes. The KMN network directly attaches CCAN to microtubules through MIS12C and NDC80C. Here, we determined a high-resolution cryo-EM structure of the human KMN network. This showed an intricate and extensive assembly of KMN subunits, with the central MIS12C forming rigid interfaces with NDC80C and KNL1C. The redundancy and strength of inter-subunit connections explains how KMN withstands strong forces applied during chromosome segregation. We also observed that unphosphorylated MIS12C exists in an auto-inhibited state that suppresses its capacity to interact with CCAN. Ser100 and Ser109 of the N-terminal segment of the MIS12C subunit Dsn1, two key targets of Aurora B kinase, directly stabilize this auto-inhibition. Our work provides a molecular mechanism for how selectively relieving this auto-inhibition through Ser100 and Ser109 phosphorylation would restrict outer kinetochore assembly to functional centromeres during cell division.

Structural maintenance of chromosomes (SMC)-kleisin complexes organize chromosomal DNAs in all domains of life, where they have key roles in chromosome segregation, DNA repair and regulation of gene expression. They function through topological entrapment and active translocation of DNA, but the underlying conformational changes are largely unclear. Using structural biology, mass spectrometry and cross-linking, we investigated the architecture of two evolutionarily distant SMC-kleisin complexes: proteobacterial MukBEF and eukaryotic cohesin. We show that both contain a dynamic coiled-coil discontinuity, the elbow, near the middle of their arms that permits a folded conformation. Bending at the elbow brings into proximity the hinge dimerization domain and the head/kleisin module, situated at opposite ends of the arms. Our findings favor SMC activity models that include a large conformational change in the arms, such as a relative movement between DNA contact sites during DNA loading and translocation.

The sodium leak channel NALCN is vital for the regulation of electrical activity in neurons and other excitable cells, and mutations in the channel or its auxiliary proteins lead to severe neurodevelopmental disorders. Here we show that the neuronal SNARE complex proteins syntaxin and SNAP25, which enable synaptic transmission in the nervous system, inhibit the activity of the NALCN channel complex in both heterologous systems and primary neurons. The existence of this interaction suggests that the neurotransmitter release machinery can regulate electrical signalling directly, and therefore modulate the threshold for its own activity. We further find that reduction of NALCN currents is sufficient to promote cell survival in syntaxin-depleted cells. This suggests that disinhibited NALCN may cause the puzzling phenomenon of rapid neuronal cell death in the absence of syntaxin. This interaction may offer opportunities for future drug development against genetic diseases linked to both NALCN- and SNARE protein-containing complexes.