During vertebrate cell division, chromosomes oscillate with periods of smooth motion interrupted by abrupt reversals in direction. These oscillations must be spatially constrained in order to align and segregate chromosomes with high fidelity, but the molecular mechanism for this activity is uncertain. We report here that the human kinesin-8 Kif18A has a primary role in the control of chromosome oscillations. Kif18A accumulates as a gradient on kinetochore microtubules in a manner dependent on its motor activity. Quantitative analyses of kinetochore movements reveal that Kif18A reduces the amplitude of preanaphase oscillations and slows poleward movement during anaphase. Thus, the microtubule-depolymerizing kinesin Kif18A has the unexpected function of suppressing chromosome movements. Based on these findings, we propose a molecular model in which Kif18A regulates kinetochore microtubule dynamics to control mitotic chromosome positioning.

Abstract Selective targeting of aneuploid cells is an attractive strategy for cancer treatment. Here, we mapped the aneuploidy landscapes of ~1,000 human cancer cell lines and classified them by their degree of aneuploidy. Next, we performed a comprehensive analysis of large-scale genetic and chemical perturbation screens, in order to compare the cellular vulnerabilities between near-diploid and highly-aneuploid cancer cells. We identified and validated an increased sensitivity of aneuploid cancer cells to genetic perturbation of core components of the spindle assembly checkpoint (SAC), which ensures the proper segregation of chromosomes during mitosis. Surprisingly, we also found highly-aneuploid cancer cells to be less sensitive to short-term exposures to multiple inhibitors of the SAC regulator TTK . To resolve this paradox and to uncover its mechanistic basis, we established isogenic systems of near-diploid cells and their aneuploid derivatives. Using both genetic and chemical inhibition of BUB1B , MAD2 and TTK , we found that the cellular response to SAC inhibition depended on the duration of the assay, as aneuploid cancer cells became increasingly more sensitive to SAC inhibition over time. The increased ability of aneuploid cells to slip from mitotic arrest and to keep dividing in the presence of SAC inhibition was coupled to aberrant spindle geometry and dynamics. This resulted in a higher prevalence of mitotic defects, such as multipolar spindles, micronuclei formation and failed cytokinesis. Therefore, although aneuploid cancer cells can overcome SAC inhibition more readily than diploid cells, the proliferation of the resultant aberrant cells is jeopardized. At the molecular level, analysis of spindle proteins identified a specific mitotic kinesin, KIF18A , whose levels were drastically reduced in aneuploid cancer cells. Aneuploid cancer cells were particularly vulnerable to KIF18A depletion, and KIF18A overexpression restored the sensitivity of aneuploid cancer cells to SAC inhibition. In summary, we identified an increased vulnerability of aneuploid cancer cells to SAC inhibition and explored its cellular and molecular underpinnings. Our results reveal a novel synthetic lethal interaction between aneuploidy and the SAC, which may have direct therapeutic relevance for the clinical application of SAC inhibitors.

Summary Chromosomal instability (CIN), characterized by frequent missegregation of chromosomes during mitosis, is a hallmark of tumor cells caused by changes in the dynamics and control of microtubules that comprise the mitotic spindle 1–3 . Thus, CIN tumor cells may respond differently than normal diploid cells to treatments that target mitotic spindle regulation. We tested this idea by inhibiting a subset of kinesin motor proteins that control spindle microtubule dynamics and mechanics but are not required for the proliferation of near-diploid cells. Our results indicated that KIF18A was required for proliferation of CIN cells derived from triple negative breast cancer or colorectal cancer tumors but was not required in near-diploid cells. CIN tumor cells exhibited mitotic delays, multipolar spindles due to centrosome fragmentation, and increased cell death following inhibition of KIF18A. Sensitivity to KIF18A knockdown was strongly correlated with centrosome fragmentation, which required dynamic microtubules but did not depend on bipolar spindle formation or mitotic arrest. Our results indicate the altered spindle microtubule dynamics characteristic of CIN tumor cells can be exploited to reduce the proliferative capacity of CIN cells.

Abstract Micronuclei, whole or fragmented chromosomes which are spatially separated from the main nucleus, are strongly associated with genomic instability and have been identified as drivers of tumorigenesis. Paradoxically, Kif18a mutant mice produce micronuclei due to unaligned chromosomes in vivo but do not develop spontaneous tumors, raising questions about whether all micronuclei contribute similarly to genomic instability and cancer. We report here that micronuclei in Kif18a mutant mice form stable nuclear envelopes. Challenging Kif18a mutant mice via deletion of the Trp53 gene led to formation of thymic lymphoma with elevated levels of micronuclei. However, loss of Kif18a had modest or no effect on survival of Trp53 homozygotes and heterozygotes, respectively. To further explore micronuclear envelope stability in KIF18A KO cells, we compared micronuclei induced via different insults in cultured cells. Micronuclei in KIF18A KO cells form stable nuclear envelopes characterized by increased recruitment of core and non-core nuclear envelope components and successful expansion of decondensing chromatin compared to those induced by microtubule drug washout or exposure to radiation. We also observed that lagging chromosomes, which lead to micronucleus formation, were positioned closer to the main chromatin masses, and further from the central spindle, in KIF18A KO cells. Our studies provide in vivo support to models suggesting that micronuclear fate depends on the sub-cellular location of late lagging chromosomes and suggest that not all micronuclei actively promote tumorigenesis.

Mitotic chromosome alignment is essential for the robust separation of genetic material into daughter cells. In mammalian cells, this process requires the function of Kif18A, a kinesin-8 motor protein. Kif18A confines chromosome movement to the mitotic spindle equator by accumulating at the plus-ends of kinetochore microtubule bundles (K-fibers), where it functions to suppress K-fiber dynamics. It is not understood how the motor accumulates at K-fiber plus-ends, a difficult feat requiring the motor to navigate protein dense microtubule tracks. Our data indicate that Kif18A's relatively long (17 amino acid) neck linker is required for the motor's accumulation at K-fiber plus-ends. Shorter neck linker (sNL) variants of Kif18A display a deficiency in K-fiber accumulation, especially on K-fibers near the center of the spindle. This pattern correlates with the more uniform concentration of the microtubule bundling protein HURP on central K-fibers compared to peripheral K-fibers. Depletion of HURP permits Kif18A sNL to accumulate on central K-fibers, while HURP overexpression reduces wild-type Kif18A's ability to accumulate on this same K-fiber subset. Furthermore, single molecule assays indicate that Kif18A sNL motors are less proficient at navigating microtubules coated with the microtubule associated protein tau. Taken together, these results support a model in which Kif18A's neck linker length permits efficient navigation of obstacles such as HURP to reach K-fiber ends during mitosis.

Kinesin-5 motors organize mitotic spindles by sliding apart anti-parallel microtubules. They are homotetramers composed of two antiparallel dimers placing orthogonal motor and tail domains at opposite ends of a bipolar minifilament. Here, we describe a regulatory mechanism, involving direct binding of the tail to motor domain and reveal its fundamental role in microtubule sliding motility. Biochemical analyses reveal that the tail down-regulates microtubule-activated ATP hydrolysis by specifically engaging the motor in the nucleotide-free or ADP-bound states. Cryo-EM structures reveal that the tail stabilizes a unique conformation of the motor N-terminal subdomain opening its active site. Full-length kinesin-5 motors undergo slow motility and cluster together along microtubules, while tail-deleted motors exhibit rapid motility without clustering along microtubules. The tail is critical for motors to zipper together two microtubules by generating substantial forces within sliding zones. The tail domain is essential for kinesin-5 mitotic spindle localization in vivo , which becomes severely reduced when the tail is deleted. Our studies suggest a revised microtubule-sliding model, in which tail domains directly engage motor domains at both ends of kinesin-5 homotetramers enhancing stability of the dual microtubule-bound states leading to slow motility yet high force production.

During the cell cycle, differential phosphorylation of select histone H3 serine/threonine residues regulates chromatin structure, necessary for both dynamic transcriptional control and proper chromosome segregation 1-2 . Histone H3.3 contains a highly conserved serine residue (Ser31) within its N-terminal tail that is unique to this variant. During interphase phosphorylation of Ser31 amplifies stimulation-induced transcription and is required for early metazoan development 3-6 . During mitosis Ser31 phosphorylation at the pericentromere supports proper chromosome segregation, albeit by unknown mechanisms 7-10 . H3.3 Ser31 is flanked by mutational sites that drive several human cancers, including pediatric gliomas 5-8 . This is typified by the H3.3 K27M mutation found in ∼80% of diffuse midline gliomas, which undergo epigenetic reprogramming in proliferative cells coordinate with loss of global H3 lysine 27 trimethylation (H3K27Me3) 11-14 . However, whether the K27M mutation influences the neighboring Ser31 phosphorylation and whether disrupting Ser31 phosphorylation plays a distinct role in driving gliomagenesis has not been tested. Here we show that H3.3 K27M mutant cells have reduced capacity for H3.3 Ser31 phosphorylation at the mitotic pericentromere, increased rates of chromosome missegregation, and impaired G 1 checkpoint responses to chromosome instability. CRISPR-reversion of K27M to wild-type restores phospho-Ser31 levels and suppresses chromosome segregation defects. CRISPR editing to introduce a non-phosphorylatable H3.3 S31A alone is sufficient to increase the frequency of chromosome missegregations. Finally, expression of H3.3 S31A in a PDGFβ-driven RCAS/TVA mouse model is sufficient to drive high grade gliomagenesis, generating diffuse tumors morphologically indistinguishable from those generated by H3.3 K27M expression. Importantly, this occurs without the loss of H3K27 triple methylation that is the hallmark of K27M tumors. Our results reveal that the H3.3 K27M mutation alters the neighboring Ser31 phosphorylation, and loss of proper H3.3 Ser31 phosphorylation contributes to the formation of diffuse midline gliomas.

ABSTRACT Kinesins are tightly regulated in space and time to control their activation in the absence of cargo-binding. Kinesin-binding protein (KIFBP) was recently discovered to bind the catalytic motor heads of 8 of the 45 known kinesin superfamily members and inhibit binding to microtubules. In humans, mutation of KIFBP gives rise to Goldberg-Shprintzen syndrome (GOSHS), but the kinesin(s) that is misregulated to produce clinical features of the disease is not known. Understanding the structural mechanism by which KIFBP selects its kinesin binding partners will be key to unlocking this knowledge. Using a combination of cryo-electron microscopy and crosslinking mass spectrometry, we determined structures of KIFBP alone and in complex with two mitotic kinesins, revealing regions of KIFBP that participate in complex formation. KIFBP adopts an alpha-helical solenoid structure composed of TPR repeats. We find that KIFBP uses a 2-pronged mechanism to remodel kinesin motors and block microtubule-binding. First, KIFBP engages the microtubule-binding interface and sterically blocks interaction with microtubules. Second, KIFBP induces allosteric conformational changes to the kinesin motor head that displace a key structural element in the kinesin motor head (α-helix 4) required for microtubule binding. We identified two regions of KIFBP necessary for in vitro kinesin-binding as well as cellular regulation during mitosis. Taken together, this work establishes the mechanism of kinesin inhibition by KIFBP and provides the first example of motor domain remodeling as a means to abrogate kinesin activity.

ABSTRACT The chromokinesin KIF22 generates forces that contribute to mitotic chromosome congression and alignment. Mutations in the α2 helix of the motor domain of KIF22 have been identified in patients with abnormal skeletal development, and we report the identification of a patient with a novel mutation in the KIF22 tail. We demonstrate that pathogenic mutations do not result in a loss of KIF22’s functions in early mitosis. Instead, mutations disrupt chromosome segregation in anaphase, resulting in reduced proliferation, abnormal daughter cell nuclear morphology, and, in a subset of cells, cytokinesis failure. This phenotype could be explained by a failure of KIF22 to inactivate in anaphase. Consistent with this model, constitutive activation of the motor via a known site of phosphoregulation in the tail phenocopied the effects of pathogenic mutations. These results suggest the motor domain α2 helix may be an important site for regulation of KIF22 activity at the metaphase to anaphase transition. In support of this conclusion, mimicking phosphorylation of α2 helix residue T158 also prevents inactivation of KIF22 in anaphase. These findings demonstrate the importance of both the head and tail of the motor in regulating the activity of KIF22 and offer insight into the cellular consequences of preventing KIF22 inactivation and disrupting force balance in anaphase.