RNA-binding proteins (RBPs) with prion-like domains (PrLDs) phase transition to functional liquids, which can mature into aberrant hydrogels composed of pathological fibrils that underpin fatal neurodegenerative disorders. Several nuclear RBPs with PrLDs, including TDP-43, FUS, hnRNPA1, and hnRNPA2, mislocalize to cytoplasmic inclusions in neurodegenerative disorders, and mutations in their PrLDs can accelerate fibrillization and cause disease. Here, we establish that nuclear-import receptors (NIRs) specifically chaperone and potently disaggregate wild-type and disease-linked RBPs bearing a NLS. Karyopherin-β2 (also called Transportin-1) engages PY-NLSs to inhibit and reverse FUS, TAF15, EWSR1, hnRNPA1, and hnRNPA2 fibrillization, whereas Importin-α plus Karyopherin-β1 prevent and reverse TDP-43 fibrillization. Remarkably, Karyopherin-β2 dissolves phase-separated liquids and aberrant fibrillar hydrogels formed by FUS and hnRNPA1. In vivo, Karyopherin-β2 prevents RBPs with PY-NLSs accumulating in stress granules, restores nuclear RBP localization and function, and rescues degeneration caused by disease-linked FUS and hnRNPA2. Thus, NIRs therapeutically restore RBP homeostasis and mitigate neurodegeneration.

Summary Viruses exploit host cytoskeletal elements and motor proteins for trafficking through the dense cytoplasm. Yet the molecular mechanism that describes how viruses connect to the motor machinery is unknown. Here, we demonstrate the first example of viral microtubule trafficking from purified components: HIV-1 hijacking microtubule transport machinery. We discover that HIV-1 directly binds to the retrograde microtubule-associated motor, dynein, and not via a cargo adaptor, as previously suggested. Moreover, we show that HIV-1 motility is supported by multiple, diverse dynein cargo adaptors as HIV-1 binds to dynein light and intermediate chains on dynein’s tail. Further, we demonstrate that multiple dynein motors tethered to rigid cargoes, like HIV-1 capsids, display reduced motility, distinct from the behavior of multiple motors on membranous cargoes. Our results introduce a new model of viral trafficking wherein a pathogen opportunistically ‘hijacks’ the microtubule transport machinery for motility, enabling multiple transport pathways through the host cytoplasm.

Dynein is the primary minus-end-directed microtubule motor [1]. To achieve activation, dynein binds to the dynactin complex and an adaptor to form the “activated dynein complex” [2, 3]. The protein Lis1 aids activation by binding to dynein and promoting its association with dynactin and adaptor [4, 5]. Ndel1 and its orthologue Nde1 are dynein and Lis1 binding proteins that help control where dynein localizes within the cell [6]. Cell-based assays suggest that Ndel1/Nde1 also work with Lis1 to promote dynein activation, although the underlying mechanism is unclear [6]. Using purified proteins and quantitative binding assays, we found that Ndel1’s C-terminal region contributes to binding to dynein and negatively regulates binding to Lis1. Using single-molecule imaging and protein biochemistry, we observed that Ndel1 inhibits dynein activation in two distinct ways. First, Ndel1 disfavors the formation of the activated dynein complex. We found that phosphomimetic mutations in Ndel1’s C-terminal domain increase its ability to inhibit dynein-dynactin-adaptor complex formation. Second, we observed that Ndel1 interacts with dynein and Lis1 simultaneously and sequesters Lis1 away from its dynein binding site. In doing this, Ndel1 prevents Lis1-mediated dynein activation. Our work suggests that in vitro , Ndel1 is a negative regulator of dynein activation, which contrasts with cellular studies where Ndel1 promotes dynein activity. To reconcile our findings with previous work, we posit that Ndel1 functions to scaffold dynein and Lis1 together while keeping dynein in an inhibited state. We speculate that Ndel1 release can be triggered in cellular settings to allow for timed dynein activation.

ABSTRACT Dynein harnesses ATP hydrolysis to move cargo on microtubules in multiple biological contexts. Dynein meets a unique challenge in meiosis by moving chromosomes tethered to the nuclear envelope to facilitate homolog pairing essential for gametogenesis. Though processive dynein motility requires binding to an activating adaptor, the identity of the activating adaptor required for dynein to move meiotic chromosomes is unknown. We show that the meiosis-specific nuclear-envelope protein KASH5 is a dynein activating adaptor: KASH5 directly binds dynein using a mechanism conserved among activating adaptors and converts dynein into a processive motor. We map the dynein-binding surface of KASH5, identifying mutations that abrogate dynein binding in vitro and disrupt recruitment of the dynein machinery to the nuclear envelope in cultured cells and mouse spermatocytes in vivo . Our study identifies KASH5 as the first transmembrane dynein activating adaptor and provides molecular insights into how it activates dynein during meiosis.

In human cells, cytoplasmic dynein-1 is essential for long-distance transport of many cargos, including organelles, RNAs, proteins, and viruses, towards microtubule minus ends. To understand how a single motor achieves cargo specificity, we identified the human dynein interactome, or transportome, by attaching a promiscuous biotin ligase (BioID) to seven components of the dynein machinery, including a subunit of the essential cofactor dynactin. This method reported spatial information about the large cytosolic dynein/dynactin complex in living cells. To achieve maximal motile activity and to bind its cargos, human dynein/dynactin requires coiled coil-containing activators, of which only five have been described. We developed methods to identify new activators in our BioID data, and discovered that ninein and ninein-like are a new family of dynein activators. Analysis of the protein interactomes for six activators, including ninein and ninein-like, suggests that each dynein activator has multiple cargos.

Cytoplasmic dynein-1 is a molecular motor that drives nearly all minus-end-directed microtubule-based transport in human cells, performing functions ranging from retrograde axonal transport to mitotic spindle assembly. Activated dynein complexes consist of one or two dynein dimers, the dynactin complex, and an "activating adaptor", with maximal velocity seen with two dimers present (Fig. 1a). Little is known about how this massive ~4MDa complex is assembled. Using purified recombinant human proteins, we uncovered a novel role for the dynein-binding protein, Lis1, in the formation of fully activated dynein complexes containing two dynein dimers. Lis1 is required for maximal velocity of complexes activated by proteins representing three different families of activating adaptors: BicD2, Hook3, and Ninl. Once activated dynein complexes have formed, they do not require the presence of Lis1 for sustained maximal velocity. Using cryo-electron microscopy we show that human Lis1 binds to dynein at two sites on dynein's motor domain, similar to yeast dynein. We propose that the ability of Lis1 to bind at these sites may function in multiple stages of assembling the motile human dynein/dynactin/activating adaptor complex.

Cytoplasmic dynein-1 (dynein) is a microtubule-associated, minus end-directed motor that traffics hundreds of different cargos. Dynein must discriminate between cargos and traffic them at the appropriate time from the correct cellular region. How dynein’s trafficking activity is regulated in time or cellular space remains poorly understood. Here, we identify CCSer2 as the first known protein to gate dynein activity in the spatial dimension. CCSer2 promotes the migration of developing zebrafish primordium cells and of cultured human cells by facilitating the trafficking of cargos that are acted on by cortically localized dynein. CCSer2 inhibits the interaction between dynein and its regulator Ndel1 exclusively at the cell periphery, resulting in localized dynein activation. Our findings suggest that the spatial specificity of dynein is achieved by the localization of proteins that disinhibit Ndel1. We propose that CCSer2 defines a broader class of proteins that activate dynein in distinct microenvironments via Ndel1 inhibition.

Regulation is central to the functional versatility of cytoplasmic dynein, a motor involved in intracellular transport, cell division, and neurodevelopment. Previous work established that Lis1, a conserved and ubiquitous regulator of dynein, binds to its motor domain and induces a tight microtubule-binding state in dynein. The work we present here — a combination of biochemistry, single-molecule assays, cryo-electron microscopy and in vivo experiments — led to the surprising discovery that Lis1 has two opposing modes of regulating dynein, being capable of inducing both low and high affinity for the microtubule. We show that these opposing modes depend on the stoichiometry of Lis1 binding to dynein and that this stoichiometry is regulated by the nucleotide state of dynein's AAA3 domain. We present data on the in vitro and in vivo consequences of abolishing the novel Lis1-induced weak microtubule-binding state in dynein and propose a new model for the regulation of dynein by Lis1.