Abstract CLASPs are ubiquitous stabilizers of microtubule dynamics but their molecular targets at the microtubule plus-end are not understood. Using DNA origami-based reconstructions we show that clusters of human CLASP2 form a load-bearing bond with terminal GDP-tubulins at the stabilized microtubule tip. This activity relies on the unconventional TOG2 domain of CLASP2, which releases its high-affinity bond with the GDP-dimers upon their conversion into polymerization-competent GTP-tubulin. By tethering dynamic microtubule ends near immobilized CLASP2, we show that the targets for CLASP2 binding at the polymerizing tip arise stochastically, leading to nanoscale disruptions in microtubule tip integrity. The ability of CLASP2 to recognize nucleotide-specific tubulin conformation and stabilize the catastrophe-promoting GDP-tubulins intertwines with the previously underappreciated exchange between GDP and GTP at terminal tubulins, providing a distinct molecular mechanism to suppress microtubule catastrophe without affecting tubulin incorporation.

Formation of macromolecular cellular structures relies on recruitment of multiple proteins, requiring the precisely controlled pairwise binding interactions. At human kinetochores, our recent work found that the high molecular density environment enables strong bonding between the Ndc80 complex and its two binding sites at the CENP-T receptor. However, the mechanistic basis for this unusual density-dependent facilitation remains unknown. Here, using quantitative single-molecule approaches, we reveal two distinct mechanisms that drive preferential recruitment of the Ndc80 complex to higher-order structures of CENP-T, as opposed to CENP-T monomers. First, the Ndc80 binding sites within the disordered tail of the CENP-T mature over time, leading to a stronger grip on the Spc24/25 heads of the Ndc80 complexes. Second, the maturation of Ndc80 binding sites is accelerated when CENP-T molecules are clustered in close proximity. The rates of the clustering-induced maturation are remarkably different for two binding sites within CENP-T, correlating with different interfaces formed by the corresponding CENP-T sequences as they wrap around the Spc24/25 heads. The differential clustering-dependent regulation of these sites is preserved in dividing human cells, suggesting a distinct regulatory entry point to control kinetochore-microtubule interactions. The tunable acceleration of slowly maturing binding sites by a high molecular-density environment may represent a fundamental physicochemical mechanism to assist the assembly of mitotic kinetochores and other macromolecular structures.

Accurate chromosome segregation relies on microtubule end conversion, the ill understood ability of kinetochores to transit from lateral microtubule attachment to durable association with dynamic microtubule plus ends. The molecular requirements for this conversion and the underlying biophysical mechanisms are ill understood. We reconstituted end conversion in vitro using two kinetochore components: the plus end directed kinesin CENP-E and microtubule binding Ndc80 complex, combined on the surface of a microbead. The primary role of CENPE is to ensure close proximity between Ndc80 complexes and the microtubule plus end, whereas Ndc80 complexes provide lasting microtubule association by diffusing on the microtubule wall near its tip. Together, these proteins mediate robust plus end coupling during several rounds of microtubule dynamics, in the absence of any specialized tip binding or regulatory proteins. Using a Brownian dynamics model, we show that end conversion is an emergent property of multimolecular ensembles of microtubule wall binding proteins with finely tuned force dependent motility characteristics.

Summary To faithfully segregate chromosomes during vertebrate mitosis, kinetochore-microtubule interactions must be restricted to a single site on each chromosome. Prior work on pair-wise kinetochore protein interactions has been unable to identify the mechanisms that prevent kinetochore formation in regions with a low density of CENP-A nucleosomes. To investigate the impact of higher-order assembly on kinetochore formation, we generated defined oligomers of the inner kinetochore protein CENP-T using two distinct, genetically engineered systems in human cells. Although individual CENP-T molecules interact poorly with other kinetochore proteins, oligomers that mimic the centromeric density of CENP-T trigger the robust formation of functional, cytoplasmic kinetochore-like particles. Both in cells and in vitro , each molecule of oligomerized CENP-T recruits substantially higher levels of outer kinetochore components than monomeric CENP-T molecules. Thus, the density-dependence of CENP-T restricts outer kinetochore recruitment to centromeres, where densely packed CENP-A recruits a high local concentration of CENP-T.

Abstract Assembly of a functional kinetochore is critical for accurate chromosome segregation. Hierarchical recruitment of soluble components during kinetochore assembly is a highly regulated mitotic event, but the underlying steps are not well understood. In yeast and Xenopus egg extracts, soluble kinetochore components can spontaneously assemble into microtubule-binding subcomplexes. Although the molecular interactions among specific kinetochore components are evolutionary conserved in eukaryotes, it remains unclear which de novo assembly steps are permitted in extracts of mitotic human cells. By analyzing the recruitment of GFP-fused kinetochore proteins from human mitotic cell extracts to inner kinetochore components immobilized on microbeads, we reconstructed the interaction between CENP-C and CENP-A–containing nucleosomes. However, subsequent phospho-dependent binding of the Mis12 complex was less efficient, whereas binding of the Ndc80 complex was inhibited. Consistently, the microtubule-binding activity of native kinetochore components, as well as those assembled using a combination of native and recombinant human proteins, was weaker than that of recombinant Ndc80 complex alone. Such inhibitory mechanisms that prevent interactions between different kinetochore components are likely to guard against spurious formation of kinetochores in the cytosol of mitotic human cells, and imply existence of specific regulatory mechanisms that permit these interactions at the assembling kinetochore.