Abstract During cell division, kinetochore microtubules (KMTs) provide a physical linkage between the chromosomes and the rest of the spindle. KMTs in mammalian cells are organized into bundles, so-called kinetochore-fibers (k-fibers), but the ultrastructure of these fibers is currently not well characterized. Here we show by large-scale electron tomography that each k-fiber in HeLa cells in metaphase is composed of approximately nine KMTs, only half of which reach the spindle pole. Our comprehensive reconstructions allowed us to analyze the three-dimensional (3D) morphology of k-fibers and their surrounding MTs in detail. We found that k-fibers exhibit remarkable variation in circumference and KMT density along their length, with the pole-proximal side showing a broadening. Extending our structural analysis then to other MTs in the spindle, we further observed that the association of KMTs with non-KMTs predominantly occurs in the spindle pole regions. Our 3D reconstructions have implications for KMT growth and k-fiber self-organization models as covered in a parallel publication applying complementary live-cell imaging in combination with biophysical modeling (Conway et al., 2022). Finally, we also introduce a new visualization tool allowing an interactive display of our 3D spindle data that will serve as a resource for further structural studies on mitosis in human cells.

ABSTRACT Few techniques are available for elucidating the nature of forces that drive subcellular behaviors. Here we develop two complementary ones: 1) femtosecond stereotactic laser ablation (FESLA), which rapidly creates complex cuts of subcellular structures, thereby allowing precise dissection of when, where, and in what direction forces are generated; and 2) assessment of subcellular fluid flows, by comparing direct flow measurements, using microinjected fluorescent nanodiamonds, to large-scale fluid-structure simulations of different models of force transduction. We apply these to study centrosomes in Caenorhabditis elegans early embryos, and use the data to construct a biophysically-based model of centrosome dynamics. Taken together, we demonstrate that cortical pulling forces provide a general explanation for many behaviors mediated by centrosomes, including pronuclear migration/centration and rotation, metaphase spindle positioning, asymmetric spindle elongation and spindle oscillations. In sum, this work establishes new methodologies for disentangling the forces responsible for cell biological phenomena.

Summary Error correction is central to many biological systems and is critical for protein function and cell health. During mitosis, error correction is required for the faithful inheritance of genetic material. When functioning properly, the mitotic spindle segregates an equal number of chromosomes to daughter cells with high fidelity. Over the course of spindle assembly, many initially erroneous attachments between kinetochores and microtubules are fixed through the process of error correction. Despite the importance of chromosome segregation errors in cancer and other diseases, there is a lack of methods to characterize the dynamics of error correction and how it can go wrong. Here, we present an experimental method and analysis framework to quantify chromosome segregation error correction in human tissue culture cells with live cell confocal imaging, timed premature anaphase, and automated counting of kinetochores after cell division. We find that errors decrease exponentially over time during spindle assembly. A coarse-grained model, in which errors are corrected in a chromosome autonomous manner at a constant rate, can quantitatively explain both the measured error correction dynamics and the distribution of anaphase onset times. We further validated our model using perturbations that destabilized microtubules and changed the initial configuration of chromosomal attachments. Taken together, this work provides a quantitative framework for understanding the dynamics of mitotic error correction.

SUMMARY During eukaryotic cell division, microtubules connect to chromosomes by attaching to the kinetochore via the NDC80 complex (NDC80c). The regulation of kinetochore microtubule (KMT) detachment is crucial for correcting mitotic errors. Here, we investigate the mechanism of KMT detachment by combining photoconversion measurements of KMT detachment rate, FLIM-FRET measurements of NCD80c/KMT binding, and mathematical modeling. Our results support a dual detachment mechanism in which KMTs detach from kinetochores when either 1) all NDC80c spontaneously unbind from the KMT or 2) following KMT catastrophe. We identify kinetochore components that selectively impact these two mechanisms and show that the affinity of NDC80c for KMTs is reduced at low-tension, non-bioriented kinetochores due to centromere-localized Aurora B phosphorylating the NDC80c, resulting in an elevated detachment rate for the associated KMTs. Taken together, this work leads to a biophysical model for the molecular basis of KMT detachments and their regulation during mitotic error correction.