ABSTRACT The function of the nervous system is intimately linked to its complex and highly inter-connected architecture. Precise control of dendritic branching in individual neurons is central to building the complex structure of the nervous system. Here we show that the kinetochore protein KNL-1 and its associated KMN (Knl1/Mis12/Ndc80 complex) network partners, typically known for their role in chromosome-microtubule coupling during mitosis, regulate dendrite branching in the C. elegans mechanosensory PVD neuron. KNL-1 restrains excess dendritic branching and promotes contact-dependent repulsion events, ensuring robust sensory behaviour and protecting against age-dependent neuron degeneration. Surprisingly, KNL-1 does not act via modulating the microtubule cytoskeleton in dendrites. Instead, KNL-1 controls the actin cytoskeleton to ensure proper dendrite architecture. These findings establish that the post-mitotic neuronal KMN network acts to shape the developing nervous system by regulating the actin cytoskeleton and provide new insight into the mechanisms controlling dendrite architecture.

The function of the nervous system is intimately tied to its complex and highly interconnected architecture. Precise control of dendritic branching in individual neurons is central to building the complex structure of the nervous system. Here, we show that the kinetochore protein KNL-1 and its associated KMN (Knl1/Mis12/Ndc80 complex) network partners, typically known for their role in chromosome-microtubule coupling during mitosis, control dendrite branching in the Caenorhabditis elegans mechanosensory PVD neuron. KNL-1 restrains excess dendritic branching and promotes contact-dependent repulsion events, ensuring robust sensory behavior and preventing premature neurodegeneration. Unexpectedly, KNL-1 loss resulted in significant alterations of the actin cytoskeleton alongside changes in microtubule dynamics within dendrites. We show that KNL-1 modulates F-actin dynamics to generate proper dendrite architecture and that its N-terminus can initiate F-actin assembly. These findings reveal that the postmitotic neuronal KMN network acts to shape the developing nervous system by regulating the actin cytoskeleton and provide new insight into the mechanisms controlling dendrite architecture.

Fam20C is a secreted protein kinase mutated in Raine syndrome, a human skeletal disorder. In vertebrates, bone and enamel proteins are major Fam20C substrates. However, Fam20 kinases are conserved in invertebrates lacking bone and enamel, suggesting other ancestral functions. We show that FAMK-1, the C. elegans Fam20C ortholog, contributes to fertility, embryogenesis, and development. These functions are not fulfilled when FAMK-1 is retained in the early secretory pathway. During embryogenesis, FAMK-1 maintains inter-cellular partitions and prevents multinucleation; notably, temperature elevation or lowering cortical stiffness reduces requirement for FAMK-1 in this context. FAMK-1 is expressed in multiple adult tissues that undergo repeated mechanical strain, and selective expression in the spermatheca restores fertility. Informatic, biochemical and functional analysis implicate lectins as FAMK-1 substrates. These findings suggest that FAMK-1 phosphorylation of substrates, including lectins, in the late secretory pathway is important in embryonic and tissue contexts where cells are subjected to mechanical strain.

ABSTRACT The microtubule-based motor dynein generates pulling forces for centrosome centration and mitotic spindle positioning in animal cells. How the essential dynein activator dynactin regulates these functions of the motor is incompletely understood. Here, we dissect the role of dynactin’s microtubule binding activity, located in p150’s CAP-Gly domain and an adjacent basic patch, in the C. elegans zygote. Using precise mutants engineered by genome editing, we show that microtubule tip tracking of dynein-dynactin is dispensable for targeting the motor to the cell cortex and for generating cortical pulling forces. Instead, p150 CAP-Gly mutants inhibit cytoplasmic pulling forces responsible for centration of centrosomes and attached pronuclei. The centration defects are mimicked by mutations of the C-terminal tyrosine of α-tubulin, and both p150 CAP-Gly and tubulin tyrosination mutants decrease the frequency of organelle transport from the cell periphery towards centrosomes during centration. In light of recent work on dynein-dynactin motility in vitro , our results suggest that p150 GAP-Gly domain binding to tyrosinated microtubules promotes initiation of dynein-mediated organelle transport in the dividing embryo, and that this function of dynactin is important for generating robust cytoplasmic pulling forces for centrosome centration.

ABSTRACT The KMN (Knl1/Mis12/Ndc80) network at the kinetochore, primarily known for its role in chromosome segregation, has been shown to be repurposed during neurodevelopment. Here, we investigate the underlying neuronal mechanism and show that the KMN network is essential to establish the proper axonal organization within the C. elegans head nervous system. Post-mitotic degradation of KNL-1, which acts as a scaffold for signaling and has microtubule-binding activities at the kinetochore, led to disorganized ganglia and aberrant placement and organization of axons in the nerve ring - an interconnected axonal network. Through gene-replacement approaches, we demonstrate that the signaling motifs within KNL-1, responsible for recruiting the protein phosphatase 1, and activating the spindle assembly checkpoint are required for neurodevelopment. Interestingly, while the microtubule-binding activity is crucial to KMN’s neuronal function, microtubule dynamics and organization were unaffected in the absence of KNL-1. Instead, the NDC-80 microtubule-binding mutant displayed notable defects in axon bundling during nerve ring formation, indicating its role in facilitating axon-axon contacts. Overall, these findings provide evidence for a non-canonical role for the KMN network in shaping the structure and connectivity of the nervous system in C. elegans during brain development.

The kinetochore is a dynamic multi-protein assembly that forms on each sister chromatid and interacts with microtubules of the mitotic spindle to drive chromosome segregation. In animals, kinetochores without attached microtubules expand their outermost layer into crescent and ring shapes to promote microtubule capture and spindle assembly checkpoint (SAC) signalling. Kinetochore expansion is an example of protein co-polymerization, but the mechanism is not understood. Here, we present evidence that kinetochore expansion is driven by oligomerization of the Rod-Zw10-Zwilch (RZZ) complex, an outer kinetochore component that recruits the motor dynein and the SAC proteins Mad1-Mad2. Depletion of ROD in human cells suppresses kinetochore expansion, as does depletion of Spindly, the adaptor that connects RZZ to dynein, while dynein itself is dispensable. Expansion is also suppressed by mutating ZWILCH residues implicated in Spindly binding. Conversely, supplying cells with excess ROD facilitates kinetochore expansion under otherwise prohibitive conditions. Using the C. elegans early embryo, we demonstrate that ROD-1 has a concentration-dependent propensity for oligomerizing into μm-scale filaments, and we identify the ROD-1 β-propeller as a key regulator of self-assembly. Finally, we show that a minimal ROD-1-Zw10 complex efficiently oligomerizes into filaments in vitro. Our results suggest that RZZ's capacity for oligomerization is harnessed by kinetochores to assemble the expanded outermost domain, in which RZZ filaments serve as recruitment platforms for SAC components and microtubule-binding proteins. Thus, we propose that RZZ self-assembly into filaments underlies the adaptive change in kinetochore size that contributes to chromosome segregation fidelity.

ATP fuels crucial cellular processes and is obtained mostly by oxidative phosphorylation (OXPHOS) at the inner mitochondrial membrane. While significant progress has been made in mechanistic understanding of ATP production, critical aspects surrounding its substrate supply logistics are poorly understood. We identify an interaction between mitochondrial apoptosis-inducing factor 1 (AIFM1) and adenylate kinase 2 (AK2) as gatekeeper of ATP synthase. This interaction is NADH-dependent and influenced by glycolysis, linking it to the cell's metabolic state. Genetic interference with AIFM1/AK2 association impedes the ability of Caenorhabditis elegans animals to handle altered metabolic rates and nutrient availability. Together, the results imply AIFM1 as a cellular NADH sensor, placing AK2 next to the OXPHOS complexes for local ADP regeneration as the substrate for ATP synthesis. This metabolic signal relay balances ATP synthase substrate supply against ATP conservation, enabling cells to adapt to fluctuating energy availability, with possible implications for AIFM1-related mitochondrial diseases.

ABSTRACT Phosphorylation is a key post-translational modification that is utilised in many biological processes for the rapid and reversible regulation of protein localisation and activity. Polo-like kinase 1 (PLK-1) is essential for both mitotic and meiotic cell divisions, with key functions being conserved in eukaryotes. The roles and regulation of PLK-1 during mitosis have been well characterised. However, the discrete roles and regulation of PLK-1 during meiosis have remained obscure. Here, we used Caenorhabditis elegans (C. elegans) oocytes to show that PLK-1 plays distinct roles in meiotic spindle assembly and/or stability, chromosome alignment and segregation, and polar body extrusion during meiosis I. Furthermore, by a combination of live imaging and biochemical analysis we identified the chromosomal recruitment mechanisms of PLK-1 during C. elegans oocyte meiosis. The spindle assembly checkpoint kinase BUB-1 directly recruits PLK-1 to the kinetochore and midbivalent while the chromosome arm population of PLK-1 depends on a direct interaction with the centromeric-associated protein CENP-C HCP-4 . We found that perturbing both BUB-1 and CENP-C HCP-4 recruitment of PLK-1 leads to severe meiotic defects, resulting in highly aneuploid oocytes. Overall, our results shed light on the roles played by PLK-1 during oocyte meiosis and provide a mechanistic understanding of PLK-1 targeting to meiotic chromosomes.

ABSTRACT Protein Phosphatase 2A (PP2A) is an heterotrimer composed of scaffolding (A), catalytic (C), and regulatory (B) subunits with various key roles during cell division. While A and C subunits form the core enzyme, the diversity generated by interchangeable B subunits dictates substrate specificity. Within the B subunits, B56-type subunits play important roles during meiosis in yeast and mice by protecting centromeric cohesion and stabilising the kinetochore-microtubule attachments. These functions are achieved through targeting of B56 subunits to centromere and kinetochore by Shugoshin and BUBR1. In the nematode Caenorhabditis elegans ( C. elegans) the closest BUBR1 ortholog lacks the B56 interaction domain and the Shugoshin orthologue is not required for normal segregation during oocyte meiosis. Therefore, the role of PP2A in C. elegans female meiosis is not known. Here, we report that PP2A is essential for meiotic spindle assembly and chromosome dynamics during C. elegans female meiosis. Specifically, B56 subunits PPTR-1 and PPTR-2 associate with chromosomes during prometaphase I and regulate chromosome congression. The chromosome localization of B56 subunits does not require shugoshin orthologue SGO-1. Instead we have identified the kinase BUB-1 as the key B56 targeting factor to the chromosomes during meiosis. PP2A BUB-1 recruits PP2A:B56 to the chromosomes via dual mechanism: 1) PPTR-1/2 interacts with the newly identified LxxIxE short linear motif (SLiM) within a disordered region in BUB-1 in a phosphorylation-dependent manner; and 2) PPTR-2 can also be recruited to chromosomes in a BUB-1 kinase domain-dependent manner. Our results highlight a novel, BUB-1-dependent mechanism for B56 recruitment, essential for recruiting a pool of PP2A required for proper chromosome congression during meiosis I.

Multiple microtubule-directed activities concentrate on chromosomes during mitosis to ensure their accurate distribution to daughter cells. These activities include couplers and dynamics regulators localized at the kinetochore, the specialized microtubule interface built on centromeric chromatin, as well as motor proteins recruited to kinetochores and to mitotic chromatin. Here, we describe an in vivo reconstruction approach in which the effect of removing the major microtubule-directed activities on mitotic chromosomes is compared to the selective presence of individual activities. This approach revealed that the kinetochore dynein module, comprised of the minus end-directed motor cytoplasmic dynein and its kinetochore-specific adapters, is sufficient to biorient chromosomes and to remodel outer kinetochore composition following microtubule attachment; by contrast, the kinetochore dynein module is unable to support chromosome congression. The chromosome-autonomous action of kinetochore dynein, in the absence of the other major microtubule-directed factors on chromosomes, rotates and orients a substantial proportion of chromosomes such that their sister chromatids attach to opposite spindle poles. In tight coupling with orientation, the kinetochore dynein module drives removal of outermost kinetochore components, including the dynein motor itself and spindle checkpoint activators. The removal is independent of the other major microtubule-directed activities and kinetochore-localized protein phosphatase 1, suggesting that it is intrinsic to the kinetochore dynein module. These observations indicate that the kinetochore dynein module has the ability coordinate chromosome biorientation with attachment state-sensitive remodeling of the outer kinetochore that facilitates cell cycle progression.