Abstract KIF1A is a highly processive vesicle transport motor in the kinesin-3 family. Mutations in KIF1A lead to neurodegenerative diseases including hereditary spastic paraplegia. We applied optical tweezers to study the ability of KIF1A to generate and sustain force against hindering loads. We used both the three-bead assay, where force is oriented parallel to the microtubule, and the traditional single-bead assay, where force is directed along the radius of the bead, resulting in a vertical force component. The average force and attachment duration of KIF1A in the three-bead assay were substantially greater than those observed in the single-bead assay. Thus, vertical forces accelerate termination of force ramps of KIF1A. Average KIF1A termination forces were slightly lower than the kinesin-1 KIF5B, and the median attachment duration of KIF1A was >10-fold shorter than KIF5B under hindering loads. KIF1A rapidly reengages with microtubules after detachment, as observed previously. Strikingly, quantification enabled by the three-bead assay shows that reengagement largely occurs within 2 ms of detachment, indicating that KIF1A has a nearly tenfold faster reengagement rate than KIF5B. We found that rapid microtubule reengagement is not due to KIF1A’s positively charged loop-12; however, removal of charge from this loop diminished the unloaded run length at near physiological ionic strength. Both loop-12 and the microtubule nucleotide state have modulatory effects on reengagement under load, suggesting a role for the microtubule lattice in KIF1A reengagement. Our results reveal adaptations of KIF1A that lead to a novel model of super-engaging transport under load.

Abstract Intracellular transport is propelled by kinesin and cytoplasmic dynein motors that carry membrane-bound vesicles and organelles bidirectionally along microtubule tracks. Much is known about these motors at the molecular scale, but many questions remain regarding how kinesin and dynein cooperate and compete during bidirectional cargo transport at the cellular level. The goal of the present study was to use a stochastic stepping model constructed by using published load-dependent properties of kinesin-1 and dynein-dynactin-BicD2 (DDB) to identify specific motor properties that determine the speed, directionality, and transport dynamics of a cargo carried by one kinesin and one dynein motor. Model performance was evaluated by comparing simulations to recently published experiments of kinesin-DDB pairs connected by complementary oligonucleotide linkers. Plotting the instantaneous velocity distributions from kinesin-DDB experiments revealed a single peak centered around zero velocity. In contrast, velocity distributions from simulations displayed a central peak around 100 nm/s, along with two side peaks corresponding to the unloaded kinesin and DDB velocities. We hypothesized that frequent motor detachment events and relatively slow motor reattachment rates resulted in periods in which only one motor is attached. To investigate this hypothesis, we varied specific model parameters and compared the resulting instantaneous velocity distributions, and we confirmed this systematic investigation using a machine learning approach that minimized the residual sum of squares between the experimental and simulation velocity distributions. The experimental data were best recapitulated by a model in which the kinesin and dynein stall forces are matched, motor detachment rates are independent of load, and the kinesin-1 reattachment rate is 50 s -1 . These results provide new insights into motor dynamics during bidirectional transport and put forth hypotheses that can be tested by future experiments. Statement of significance: Bidirectional transport of vesicles along microtubules is vital for cellular function, particularly in the highly elongated axons and dendrites of neurons, and transport defects are linked to neurodegenerative diseases. For developing future therapeutic strategies, a better understanding is needed for how motors, cargo adapters, and accessory proteins coordinate their activities to transport cargo to their proper cellular locations. We approached this problem by simulating how antagonistic kinesin and dynein motors compete in pairs. We constrain our simulations by recent experimental results and conclude that the motors spend nearly all their time attached to the microtubule and competing against one another. This behavior is not predicted by existing single-molecule experiments and thus provides new insights into bidirectional transport.

PAKRP2 is an orphan kinesin in Arabidopsis thaliana that is thought to transport vesicles along phragmoplast microtubules for cell plate formation. Here, using single-molecule fluorescence microscopy, we show that PAKRP2 exhibits processive plus-end-directed motility on single microtubules as individual homodimers despite having an exceptionally long (32 residues) neck linker. Furthermore, using high-resolution nanoparticle tracking to visualize motor stepping dynamics, we find that PAKRP2 achieves processivity via a noncanonical stepping mechanism that includes small step sizes and frequent lateral steps to adjacent protofilaments. We propose that the small steps sizes are due to a transient intermediate step that involves a prolonged diffusional search of the tethered head due to its long neck linker. Despite this different stepping behavior, ATP is tightly coupled to each 8-nm step. Collectively, this study reveals PAKRP2 as the first orphan kinesin to demonstrate processive motility and broadens our understanding of the diverse kinesin stepping mechanisms.

Abstract Bidirectional cargo transport in neurons requires competing activity of motors from the kinesin-1, -2 and -3 superfamilies against cytoplasmic dynein-1. Previous studies demonstrated that when kinesin-1 attached to dynein-dynactin-BicD2 (DDB) complex, the tethered motors move slowly with a slight plus-end bias, suggesting kinesin-1 overpowers DDB but DDB generates a substantial hindering load. Compared to kinesin-1, motors from the kinesin-2 and -3 families display a higher sensitivity to load in single-molecule assays and are thus predicted to be overpowered by dynein complexes in cargo transport. To test this prediction, we used a DNA scaffold to pair DDB with members of the kinesin-1, -2 and -3 families to recreate bidirectional transport in vitro, and tracked the motor pairs using two-channel TIRF microscopy. Unexpectedly, we find that when both kinesin and dynein are engaged and stepping on the microtubule, kinesin-1, -2, and -3 motors are able to effectively withstand hindering loads generated by DDB. Stochastic stepping simulations reveal that kinesin-2 and -3 motors compensate for their faster detachment rates under load with faster reattachment kinetics. The similar performance between the three kinesin transport families highlights how motor kinetics play critical roles in balancing forces between kinesin and dynein, and emphasizes the importance of motor regulation by cargo adaptors, regulatory proteins, and the microtubule track for tuning the speed and directionality of cargo transport in cells.

ABSTRACT Kinesin-3 are the fastest and most processive motors of the three neuronal transport kinesin families, yet the sequence of states and rates of kinetic transitions that comprise the chemomechanical cycle are poorly understood. We used stopped-flow fluorescence spectroscopy and single-molecule motility assays to delineate the chemomechanical cycle of the kinesin-3, KIF1A. Our bacterially expressed KIF1A construct, dimerized via a kinesin-1 coiled-coil, exhibits fast velocity and superprocessivity behavior similar to wild-type KIF1A. We established that the KIF1A forward step is triggered by hydrolysis of ATP and not by ATP binding, meaning that KIF1A follows the same chemomechanical cycle as established for kinesin-1 and-2. The ATP-triggered half-site release rate of KIF1A was similar to the stepping rate, indicating that during stepping, rear-head detachment is an order of magnitude faster than in kinesin-1 and kinesin-2. Thus, KIF1A spends the majority of its hydrolysis cycle in a one-head-bound state. Both the ADP off-rate and the ATP on-rate at physiological ATP concentration were fast, eliminating these steps as possible rate limiting transitions. Based on the measured run length and the relatively slow off-rate in ADP, we conclude that attachment of the tethered head is the rate limiting transition in the KIF1A stepping cycle. The fast speed, superprocessivity and load sensitivity of KIF1A can be explained by a fast rear head detachment rate, a rate-limiting step of tethered head attachment that follows ATP hydrolysis, and a relatively strong electrostatic interaction with the microtubule in the weakly-bound post-hydrolysis state.

Cytoplasmic dynein is activated by forming a complex with dynactin and the adaptor protein BicD2. We used Interferometric Scattering (iSCAT) microscopy to track dynein-dynactin-BicD2 (DDB) complexes in vitro and developed a regression-based algorithm to classify switching between processive, diffusive and stuck motility states. We find that DDB spends 65% of its time undergoing processive stepping, 4% undergoing 1D diffusion, and the remaining time transiently stuck to the microtubule. Although the p150 subunit was previously shown to enable dynactin diffusion along microtubules, blocking p150 enhanced the proportion of time DDB diffused and reduced the time DDB processively walked. Thus, DDB diffusive behavior most likely results from dynein switching into an inactive (diffusive) state, rather than p150 tethering the complex to the microtubule. DDB - kinesin-1 complexes, formed using a DNA adapter, moved slowly and persistently, and blocking p150 led to a 70 nm/s plus-end shift in the average velocity, in quantitative agreement with the increase in diffusivity seen in isolated DDB. The data suggest a DDB activation model in which engagement of dynactin p150 with the microtubule promotes dynein processivity, serves as an allosteric activator of dynein, and enhances processive minus-end motility during intracellular bidirectional transport.

In animals and fungi, cytoplasmic dynein is a processive motor that plays dominant roles in various intracellular processes. In contrast, land plants lack cytoplasmic dynein but contain many minus-end-directed kinesin-14s. No plant kinesin-14 is known to produce processive motility as a homodimer. OsKCH2 is a plant-specific kinesin-14 with an N-terminal actin-binding domain and a central motor domain flanked by two predicted coiled-coils (CC1 and CC2). Here, we show that OsKCH2 specifically decorates preprophase band microtubules in vivo and transports actin filaments along microtubules in vitro. Importantly, OsKCH2 exhibits processive minus-end-directed motility on single microtubules as individual homodimers. We find that CC1 but not CC2 forms the coiled-coil for OsKCH2 dimerization. Instead, CC2 functions to enable OsKCH2 processivity by enhancing its binding to microtubules. Collectively, these results show that land plants have evolved unconventional kinesin-14 homodimers with inherent minus-end-directed processivity that may function to compensate for the loss of cytoplasmic dynein.