Summary The endoplasmic reticulum (ER) dramatically restructures in open mitosis to become excluded from the mitotic spindle; however, the significance of ER reorganization to mitotic progression is not known. Here, we demonstrate that limiting ER membrane biogenesis enables mitotic chromosome movements necessary for chromosome biorientation and prevention of micronuclei formation. Aberrantly expanded ER membranes increase the effective viscosity of the mitotic cytoplasm to physically restrict chromosome dynamics – slowed chromosome motions impede correction of mitotic errors induced by transient spindle disassembly, leading to severe micronucleation. We define the mechanistic link between regulation of ER membrane biogenesis and mitotic fidelity by demonstrating that a CTDNEP1-lipin 1-mTOR regulatory network limits ER lipid synthesis to prevent chromosome missegregation. Together, this work shows that ER membranes reorganize in mitosis to enable chromosome movements necessary for mitotic error correction and reveal dysregulated lipid metabolism as a potential source of aneuploidy in cancer cells.

Summary Lipid composition is a determinant of organelle identity; however, whether the inner nuclear membrane (INM) domain of the endoplasmic reticulum (ER) harbors a unique lipid chemistry that contributes to its identity is not known. Here, we demonstrate that a unique INM lipid environment enriched in diacylglycerol protects the nucleo-cytoskeletal linker Sun2 from local degradation by the ubiquitin-proteasome system. A membrane binding amphipathic helix in the nucleoplasmic domain of Sun2 senses INM lipids and is essential to its protein stability. We show that the protein phosphatase CTDNEP1 localizes to the INM to maintain a distinct INM lipid environment necessary for Sun2 accumulation through regulation of the phosphatidic acid phosphatase lipin 1. Thus, the INM lipid environment sculpts the INM proteome via direct lipid-protein interactions that regulate protein stability, which has broad implications for mechanisms of diseases associated with the nuclear envelope.

Abstract The nuclear permeability barrier depends on closure of holes in the nuclear envelope (NE). Here, we use meiotic C. elegans oocytes to demonstrate that local control of glycerophospholipid synthesis by CNEP-1/CTDNEP1 regulates the insertion of ER sheets into NE holes and functions independently of ESCRT-III to ensure NE closure. Deletion of CNEP-1 causes excess incorporation of ER membranes into NE holes and a defective NE permeability barrier. ESCRT-III components accumulate at the NE opening surrounding the meiotic spindle, and loss of NE adaptors for ESCRT-III exacerbates NE sealing defects in cnep-1 mutants. Limiting ER sheet production by restoring glycerophospholipid synthesis in cnep-1 mutants rescued NE permeability defects. 3D analysis showed that membrane sheets feed into and narrow NE holes occluded by meiotic spindle microtubules supporting a role for ER sheet insertion in NE closure. Thus, feeding of ER sheets into NE holes must be coordinated with production of ER sheets near the NE to promote NE closure.

ABSTRACT Septins are a family of membrane-associated cytoskeletal GTPases that play crucial roles in various cellular processes, such as cell division, phagocytosis, and organelle fission. Despite their importance, the evolutionary origins and ancestral function of septins remain unclear. In opisthokonts, septins form five distinct groups of orthologs, with subunits from multiple groups assembling into heteropolymers, thus supporting their diverse molecular functions. Recent studies have revealed that septins are also conserved in algae and protists, indicating an ancient origin from the last eukaryotic common ancestor. However, the phylogenetic relationships among septins across eukaryotes remained unclear. Here, we expanded the list of non-opisthokont septins, including previously unrecognized septins from rhodophyte red algae and glaucophyte algae. Constructing a rooted phylogenetic tree of 254 total septins, we observed a bifurcation between the major non-opisthokont and opisthokont septin clades. Within the non-opisthokont septins, we identified three major subclades: Group 6 representing chlorophyte green algae (6A mostly for species with single septins, 6B for species with multiple septins), Group 7 representing algae in chlorophytes, heterokonts, haptophytes, chrysophytes, and rhodophytes, and Group 8 representing ciliates. Glaucophyte and some ciliate septins formed orphan lineages in-between all other septins and the outgroup. Combining ancestral-sequence reconstruction and AlphaFold predictions, we tracked the structural evolution of septins across eukaryotes. In the GTPase domain, we identified a conserved GAP-like arginine finger within the G-interface of at least one septin in most algal and ciliate species. This residue is required for homodimerization of the single Chlamydomonas septin, and its loss coincided with septin duplication events in various lineages. The loss of the arginine finger is often accompanied by the emergence of the α0 helix, a known NC-interface interaction motif, potentially signifying the diversification of septin-septin interaction mechanisms from homo-dimerization to hetero-oligomerization. Lastly, we found amphipathic helices in all septin groups, suggesting that curvature-sensing is an ancestral trait of septin proteins. Coiled-coil domains were also broadly distributed, while transmembrane domains were found in some septins in Group 6A and 7. In summary, this study advances our understanding of septin distribution and phylogenetic groupings, shedding light on their ancestral features, potential function, and early evolution.

Summary Nuclear pore complexes (NPCs) are large protein assemblies that facilitate transport of macromolecules across the nuclear envelope (NE) [1, 2]. How thousands of NPCs rapidly assemble after open mitosis to form a functional NE is not known. Recruitment of the Nup107-160 outer ring scaffold to chromatin initiates NPC assembly. The Nup53/93 complex bridges the outer ring to the central channel to form a functional pore [3–6]. Nup53 interacts with the conserved transmembrane nucleoporin Ndc1; however, how Ndc1 contributes to post-mitotic NPC assembly is unclear [7–9]. Here, we use C. elegans embryos to show that the timely formation of a functional NE after mitosis depends on Ndc1. Endogenously tagged Ndc1 is recruited early to the reforming NE and is highly mobile in the nuclear rim. 3D analysis of post-mitotic NE formation revealed a decreased NPC density in NEs of ndc1 deleted embryos – continuous nuclear membranes contained few holes where assembling NPCs are normally located. Nup160 is highly mobile in NEs depleted of Ndc1 and outer ring scaffold components are less enriched at the rim. When both ndc1 and nup53 are absent, nuclear assembly fails. Together, these data show that Ndc1 dynamically associates with the NE and promotes stable association of the outer ring scaffold in the NE to facilitate NPC assembly after open mitosis. Furthermore, Ndc1 and Nup53 function in parallel to drive nuclear assembly. We propose that Ndc1 is a dynamic membrane adaptor that helps recruit and promote the self-assembly of the nuclear pore scaffold to drive post-mitotic NPC assembly.

The forces that orient the spindle in human cells remain poorly understood due to a lack of direct mechanical measurements in mammalian systems. We use magnetic tweezers to measure the force on human mitotic spindles. Combining the spindle's measured resistance to rotation, the speed at which it rotates after laser ablating astral microtubules, and estimates of the number of ablated microtubules reveals that each microtubule contacting the cell cortex is subject to ∼5 pN of pulling force, suggesting that each is pulled on by an individual dynein motor. We find that the concentration of dynein at the cell cortex and extent of dynein clustering are key determinants of the spindle's resistance to rotation, with little contribution from cytoplasmic viscosity, which we explain using a biophysically based mathematical model. This work reveals how pulling forces on astral microtubules determine the mechanics of spindle orientation and demonstrates the central role of cortical dynein clustering.

Recent work done exclusively in tissue culture cells revealed that the nuclear envelope (NE) undergoes ruptures leading to transient mixing of nuclear and cytoplasmic components. The duration of transient NE ruptures depends on lamins, however the underlying mechanisms and the relevance to in vivo events is not known. Here, we use C. elegans embryos to show that dynein forces that position nuclei increase the severity of lamin-induced NE ruptures in vivo. In the absence of dynein forces, lamin prevents nuclear-cytoplasmic mixing caused by NE ruptures. By monitoring the dynamics of NE rupture events, we demonstrate that lamin is required for a distinct phase in NE recovery that restricts nucleocytoplasmic mixing prior to the full restoration of NE rupture sites. We show that laser-induced puncture of the NE recapitulates phenotypes associated with NE recovery in wild type cells. Surprisingly, we find that embryonic lethality does not correlate with the incidence of NE rupture events suggesting that embryos survive transient losses of NE compartmentalization during early embryogenesis. In addition to presenting the first mechanistic analysis of transient NE ruptures in vivo, this work demonstrates that lamin controls the duration of NE ruptures by opposing dynein forces on ruptured nuclei to allow reestablishment of the NE permeability barrier and subsequent restoration of NE rupture sites.

C-terminal Domain Nuclear Envelope Phosphatase 1 (CTDNEP1) is a non-canonical protein serine/threonine phosphatase that regulates ER membrane biogenesis. Inactivating mutations in CTDNEP1 correlate with development of medulloblastoma, an aggressive childhood cancer. The transmembrane protein Nuclear Envelope Phosphatase 1 Regulatory Subunit 1 (NEP1R1) binds CTDNEP1, but the molecular details by which NEP1R1 regulates CTDNEP1 function are unclear. Here, we find that knockdown of CTDNEP1 or NEP1R1 in human cells generate identical phenotypes, establishing CTDNEP1-NEP1R1 as an evolutionarily conserved membrane protein phosphatase complex that restricts ER expansion. Mechanistically, NEP1R1 acts as an activating regulatory subunit that directly binds and increases the phosphatase activity of CTDNEP1. By defining a minimal NEP1R1 domain sufficient to activate CTDNEP1, we determine high resolution crystal structures of the CTDNEP1-NEP1R1 complex bound to a pseudo-substrate. Structurally, NEP1R1 engages CTDNEP1 at a site distant from the active site to stabilize and allosterically activate CTDNEP1. Substrate recognition is facilitated by a conserved Arg residue that binds and orients the substrate peptide in the active site. Together, this reveals mechanisms for how NEP1R1 regulates CTDNEP1 and explains how cancer-associated mutations inactivate CTDNEP1.

The endoplasmic reticulum (ER) is composed of interconnected membrane sheets and tubules. Super-resolution microscopy recently revealed densely packed, rapidly moving ER tubules, highlighting the importance of revisiting classical views of ER structure with high spatial resolution in living cells. Using live-cell Stimulated Emission Depletion (STED) microscopy, we show highly dynamic, subdiffraction-sized holes in ER sheets. Holes coexist with uniform sheet regions and are distinct from tubular ER structures. The curvature-stabilizing reticulon protein Rtn4 localizes to these holes and the ER luminal tether Climp63 controls their diameter and mobility. Analytical modeling demonstrates that holes in ER sheets can serve as reservoirs for curvature-stabilizing proteins to support ER tubule extension and retraction, thus providing an explanation for how the ER locally alters its morphology on fast time-scales.

Abstract The endoplasmic reticulum (ER) is the site for the synthesis of the major membrane and storage lipids. Lipin 1 produces diacylglycerol, the lipid intermediate critical for the synthesis of both membrane and storage lipids in the ER. CTD-Nuclear Envelope Phosphatase 1 (CTDNEP1) regulates lipin 1 to restrict ER membrane synthesis, but its role in lipid storage in mammalian cells is unknown. Here, we show that the ubiquitin-proteasome degradation pathway controls the levels of ER/nuclear envelope-associated CTDNEP1 to regulate ER membrane synthesis through lipin 1. The N-terminus of CTDNEP1 is an amphipathic helix that targets to the ER, nuclear envelope and lipid droplets. We identify key residues at the binding interface of CTDNEP1 with its regulatory subunit NEP1R1 and show that they facilitate complex formation in vivo and in vitro . We demonstrate a role for NEP1R1 in temporarily shielding CTDNEP1 from proteasomal degradation to regulate lipin 1 and restrict ER size. Unexpectedly, we found that NEP1R1 is not required for CTDNEP1’s role in restricting lipid droplet biogenesis. Thus, the reliance of CTDNEP1 function on its regulatory subunit differs during ER membrane synthesis and lipid storage. Together, our work provides a framework into understanding how the ER regulates lipid synthesis and storage under fluctuating conditions.