Accurate chromosome segregation requires carefully regulated interactions between kinetochores and microtubules, but how plasticity is achieved to correct diverse attachment defects remains unclear. Here we demonstrate that Aurora B kinase phosphorylates three spatially distinct targets within the conserved outer kinetochore KNL1/Mis12 complex/Ndc80 complex (KMN) network, the key player in kinetochore-microtubule attachments. The combinatorial phosphorylation of the KMN network generates graded levels of microtubule-binding activity, with full phosphorylation severely compromising microtubule binding. Altering the phosphorylation state of each protein causes corresponding chromosome segregation defects. Importantly, the spatial distribution of these targets along the kinetochore axis leads to their differential phosphorylation in response to changes in tension and attachment state. In total, rather than generating exclusively binary changes in microtubule binding, our results suggest a mechanism for the tension-dependent fine-tuning of kinetochore-microtubule interactions.

Kinetochore specification and assembly requires the targeted deposition of specialized nucleosomes containing the histone H3 variant CENP-A at centromeres. However, CENP-A is not sufficient to drive full-kinetochore assembly, and it is not clear how centromeric chromatin is established. Here, we identify CENP-W as a component of the DNA-proximal constitutive centromere-associated network (CCAN) of proteins. We demonstrate that CENP-W forms a DNA-binding complex together with the CCAN component CENP-T. This complex directly associates with nucleosomal DNA and with canonical histone H3, but not with CENP-A, in centromeric regions. CENP-T/CENP-W functions upstream of other CCAN components with the exception of CENP-C, an additional putative DNA-binding protein. Our analysis indicates that CENP-T/CENP-W and CENP-C provide distinct pathways to connect the centromere with outer kinetochore assembly. In total, our results suggest that the CENP-T/CENP-W complex is directly involved in establishment of centromere chromatin structure coordinately with CENP-A.

Regulated interactions between kinetochores and spindle microtubules are essential to maintain genomic stability during chromosome segregation. The Aurora B kinase phosphorylates kinetochore substrates to destabilize kinetochore–microtubule interactions and eliminate incorrect attachments. These substrates must be dephosphorylated to stabilize correct attachments, but how opposing kinase and phosphatase activities are coordinated at the kinetochore is unknown. Here, we demonstrate that a conserved motif in the kinetochore protein KNL1 directly interacts with and targets protein phosphatase 1 (PP1) to the outer kinetochore. PP1 recruitment by KNL1 is required to dephosphorylate Aurora B substrates at kinetochores and stabilize microtubule attachments. PP1 levels at kinetochores are regulated and inversely proportional to local Aurora B activity. Indeed, we demonstrate that phosphorylation of KNL1 by Aurora B disrupts the KNL1–PP1 interaction. In total, our results support a positive feedback mechanism by which Aurora B activity at kinetochores not only targets substrates directly, but also prevents localization of the opposing phosphatase.

Accurate chromosome segregation requires assembly of the multiprotein kinetochore complex at centromeres. Although prior work identified the centromeric histone H3-variant CENP-A as the important upstream factor necessary for centromere specification, in human cells CENP-A is not sufficient for kinetochore assembly. Here, we demonstrate that two constitutive DNA-binding kinetochore components, CENP-C and CENP-T, function to direct kinetochore formation. Replacing the DNA-binding regions of CENP-C and CENP-T with alternate chromosome-targeting domains recruits these proteins to ectopic loci, resulting in CENP-A-independent kinetochore assembly. These ectopic kinetochore-like foci are functional based on the stoichiometric assembly of multiple kinetochore components, including the microtubule-binding KMN network, the presence of microtubule attachments, the microtubule-sensitive recruitment of the spindle checkpoint protein Mad2, and the segregation behavior of foci-containing chromosomes. We additionally find that CENP-T phosphorylation regulates the mitotic assembly of both endogenous and ectopic kinetochores. Thus, CENP-C and CENP-T form a critical regulated platform for vertebrate kinetochore assembly.

Abstract Centromere protein A (CENP-A) nucleosome is an epigenetic marker that specifies centromere position. The Mis18 complex is a licensing factor for new CENP-A deposition via the CENP-A chaperone, Holliday junction recognition protein (HJURP) on the centromere chromatin. Chicken KINETOCHORE NULL2 (KNL2) (ggKNL2), a Mis18 complex component, has a CENP-C-like motif, and our previous study suggested that ggKNL2 directly binds to the CENP-A nucleosome to recruit HJURP/CENP-A to the centromere. However, the molecular basis for CENP-A nucleosome recognition by ggKNK2 remains unclear. Here, we present the cryo-EM structure of the chicken CENP-A nucleosome in complex with a ggKNL2 fragment containing a CENP-C-like motif. Chicken KNL2 distinguishes between CENP-A and histone H3 in the nucleosome using the CENP-C-like motif and its downstream region. Both the C-terminal tail and RG-loop of CENP-A are simultaneously recognized as CENP-A characteristics. The CENP-A nucleosome-ggKNL2 interaction is thus essential for CENP-A deposition. Furthermore, our structural, biochemical, and cell biology data indicate that ggKNL2 alters its binding partner at the centromere during chicken cell cycle progression.

Abstract The nuclear envelope (NE) is a permeable barrier that maintains nuclear–cytoplasmic compartmentalization and ensures nuclear function; however, it ruptures in various situations such as mechanical stress and mitosis. Although the protein components for sealing a ruptured NE have been identified, the mechanism by which lipid components are involved in this process remains to be elucidated. Here, we found that an inner nuclear membrane (INM) protein Bqt4 directly interacts with phosphatidic acid (PA) and serves as a platform for NE maintenance in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe . The intrinsically disordered region (IDR) of Bqt4 proximal to the transmembrane domain binds to PA and forms a solid-phase aggregate in vitro . Excessive accumulation of Bqt4 IDR in INM results in membrane overproliferation and lipid droplet formation in the nucleus, leading to centromere dissociation from the NE and chromosome missegregation. Our findings suggest that Bqt4 IDR controls nuclear membrane homeostasis by recruiting PA to the INM, thereby maintaining the structural integrity of the NE.

The nuclear envelope (NE) is a permeable barrier that maintains nuclear–cytoplasmic compartmentalization and ensures nuclear function; however, it ruptures in various situations such as mechanical stress and mitosis. Although the protein components for sealing a ruptured NE have been identified, the mechanism by which lipid components are involved in this process remains to be elucidated. Here, we found that an inner nuclear membrane (INM) protein Bqt4 directly interacts with phosphatidic acid (PA) and serves as a platform for NE maintenance in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. The intrinsically disordered region (IDR) of Bqt4, proximal to the transmembrane domain, binds to PA and forms a solid aggregate in vitro. Excessive accumulation of Bqt4 IDR in INM results in membrane overproliferation and lipid droplet formation in the nucleus, leading to centromere dissociation from the NE and chromosome missegregation. Our findings suggest that Bqt4 IDR controls nuclear membrane homeostasis by recruiting PA to the INM, thereby maintaining the structural integrity of the NE.

Summary Establishing the correct kinetochore-microtubule attachment is crucial for faithful chromosome segregation. The kinetochore has various regulatory mechanisms for establishing correct bipolar attachment. However, how the regulations are coupled is not fully understood. Here, we demonstrate a regulatory loop between the kinetochore protein CENP-C and Aurora B kinase, which is critical for the error correction of kinetochore-microtubule attachment. This regulatory loop is mediated through the binding of CENP-C to the outer kinetochore Mis12 complex (Mis12C). Although the Mis12C binding region of CENP-C is dispensable for mouse development and proliferation in human RPE-1 cells, those cells lacking this region display increased mitotic defects. The CENP-C-Mis12C interaction facilitates the centromeric recruitment of Aurora B and the mitotic error correction in human cells. Given that Aurora B reinforces the CENP-C-Mis12C interaction, our findings reveal a positive regulatory loop between Aurora B recruitment and the CENP-C-Mis12C interaction, which ensures chromosome bi-orientation for accurate chromosome segregation.