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.

Abstract The Ndc80 kinetochore complex is essential for robust kinetochore-microtubule (k-MT) attachments during mitosis. Ndc80 has been shown to recruit the Ska1 complex to kinetochores, where Ska1 is thought to aid in k-MT coupling by Ndc80. Our previous work has shown that Cdt1, a DNA replication licensing factor, is a novel mitotic spindle-associated protein that is also recruited to kinetochores via Ndc80 and is required for stabilizing k-MT attachments. In this study, we developed auxin-induced degron (AID)-tagging to validate the previously demonstrated mitotic role of Cdt1. We demonstrate a direct interaction between Cdt1 and Ska1 that is essential for proper recruitment of Cdt1 to kinetochores and spindle microtubules. We find that Cdk1’dependent phosphorylation of Cdt1 during mitosis is critical for Ska1-binding, consequently regulating the stabilization of metaphase k-MT attachments and normal mitotic progression. Total internal reflection fluorescence microscopy (TIR-FM) experiments reveal that Cdt1 synergizes with the Ndc80 and the Ska1 complexes for microtubule-binding. Further, we show that single Cdt1 molecules form diffusive tripartite complexes with Ndc80 and Ska1 that can processively track the ends of dynamic microtubules in vitro . Taken together our data identifies a minimal molecular unit responsible for bidirectional processive tip tracking of kinetochores.

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.

Abstract Cdt1 is a protein critical for DNA replication licensing and is well-established to be a binding partner of the minichromosome maintenance (MCM) complex. Cdt1 has also been demonstrated to have an emerging, “moonlighting” role at the kinetochore via direct binding to microtubules and to the Ndc80 complex. However, it is not known how the structure and conformations of Cdt1 could allow for these multiple, completely unique sets of protein complexes. And while there exist multiple robust methods to study entirely folded or entirely unfolded proteins, structure-function studies of combined, mixed folded/disordered proteins remain challenging. It this work, we employ multiple orthogonal biophysical and computational techniques to provide a detailed structural characterization of human Cdt1 92-546. DSF and DSCD show both folded winged helix (WH) domains of Cdt1 are relatively unstable. CD and NMR show the N-terminal and the linker regions are intrinsically disordered. Using DLS and SEC-MALS, we show that Cdt1 is polydisperse, monomeric at high concentrations, and without any apparent inter-molecular self-association. SEC-SAXS of the monomer in solution enabled computational modeling of the protein in silico . Using the program SASSIE, we performed rigid body Monte Carlo simulations to generate a conformational ensemble. Using experimental SAXS data, we filtered for conformations which did and did not fit our data. We observe that neither fully extended nor extremely compact Cdt1 conformations are consistent with our SAXS data. The best fit models have the N-terminal and linker regions extended into solution and the two folded domains close to each other in apparent “folded over” conformations. The best fit Cdt1 conformations are consistent with a function as a scaffold protein which may be sterically blocked without the presence of binding partners. Our studies also provide a template for combining experimental and computational biophysical techniques to study mixed-folded proteins.

Many Lamin A-associated proteins (LAAPs) that are key constituents of the nuclear envelope (NE), assemble at the core domains of chromosomes during NE reformation and mitotic exit. However, the identity and function of the chromosomal core domains remain ill-defined. Here, we show that a distinct section of the core domain overlaps with the centromeres/kinetochores of chromosomes during mitotic telophase. The core domain can thus be demarcated into a kinetochore proximal core (KPC) on one side of the segregated chromosomes and the kinetochore distal core (KDC) on the opposite side, close to the central spindle. We next tested if centromere assembly is connected to NE re-formation. We find that centromere assembly is markedly perturbed after inhibiting the function of LMNA and the core-localized LAAPs, BANF1 and Emerin. We also find that the LAAPs exhibit multiple biochemical interactions with the centromere and inner kinetochore proteins. Consistent with this, normal mitotic progression and chromosome segregation was severely impeded after inhibiting LAAP function. Intriguingly, the inhibition of centromere function also interferes with the assembly of LAAP components at the core domain, suggesting a mutual dependence of LAAP and centromeres for their assembly at the core domains. Finally, we find that the localization of key proteins involved in the centromeric loading of CENP-A, including the Mis18 complex and HJURP were markedly affected in LAAP-inhibited cells. Our evidence points to a model where LAAP assembly at the core domain serves a key function in loading new copies of centromeric proteins during or immediately after mitotic exit.

Cytoplasmic dynein is the main microtubule-minus-end-directed transporter of cellular cargo in animal cells. Cytoplasmic dynein also functions in the organisation and positioning of mitotic spindles and the formation of ordered microtubule arrays in neurons and muscle. Activation of the motor for cargo transport is thought to require formation of a complex with dynactin and a cargo adapter. Here we show that recombinant human dynein can crossbridge neighbouring microtubules and can be activated by this crossbridging to slide and polarity-sort microtubule bundles. While single molecules of human dynein are predominantly static or diffusive on single microtubules, they walk processively for 1.5 μm on average along the microtubule bundles they form. Speed and force output of dynein are doubled on bundles compared to single microtubules, indicating that the crossbridging dynein steps equivalently on two microtubules. Our data are consistent with a model of autoactivation through the physical separation of dynein motor domains when crossbridging two microtubules. This enables cytoplasmic dynein to function effectively as a microtubule organiser and transporter without needing to first form a complex with dynactin and a cargo adapter.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.