Abstract Microtubules are dynamic polymers consisting of αβ-tubulin heterodimers. The initial polymerization process, called microtubule nucleation, occurs spontaneously via αβ-tubulin. Since a large energy barrier prevents microtubule nucleation in cells, the γ-tubulin ring complex is recruited to the centrosome to overcome the nucleation barrier. However, detachment of a considerable number of microtubules from the centrosome is known to contribute to fundamental processes in cells. Here, we present evidence that minus-end-binding calmodulin-regulated spectrin-associated protein 2 (CAMSAP2) serves as a strong nucleator for microtubule formation from soluble αβ-tubulin independent of γ-tubulin. CAMSAP2 significantly reduces the nucleation barrier close to the critical concentration for microtubule polymerization by stabilizing the longitudinal contacts among αβ-tubulins. CAMSAP2 clusters together with αβ-tubulin to generate nucleation intermediates, from which numerous microtubules radiate, forming aster-like structures. Our findings suggest that CAMSAP2 supports microtubule growth by organizing a nucleation centre as well as by stabilizing microtubule nucleation intermediates.

Kinesin motor proteins hydrolyze ATP to produce force for spindle assembly and vesicle transport, performing essential functions in cell division and motility, but the structural changes required for force generation are uncertain. We now report high-resolution structures showing new transitions in the kinesin mechanochemical cycle, including power stroke fluctuations upon ATP binding and a post-hydrolysis state with bound ADP + free phosphate. We find that rate-limiting ADP release occurs upon microtubule binding, accompanied by central β-sheet twisting, which triggers the power stroke - stalk rotation and neck mimic docking - upon ATP binding. Microtubule release occurs with β-strand-to-loop transitions, implying that β-strand refolding induces Pi release and the recovery stroke. The strained β-sheet during the power stroke and strand-to-loop transitions identify the β-sheet as the long-sought motor spring.

Abstract The p47 immunity-related GTPase (IRG) Irgb6 plays a pioneering role in host defense against Toxoplasma gondii infection. It is recruited to the parasitophorous vacuole membrane (PVM) formed by T. gondii and disrupts it. Despite the importance of this process, the molecular mechanisms accounting for PVM recognition by Irgb6 remain elusive due to lack of structural information on Irgb6. Here we report the crystal structures of mouse Irgb6 in the GTP-bound and nucleotide-free forms. Irgb6 exhibits a similar overall architecture to other IRGs in which GTP-binding induces conformational changes in both the dimerization interface and the membrane-binding interface. The membrane-binding interface of Irgb6 assumes a unique conformation, composed of N- and C-terminal helical regions forming a phospholipid binding site. In silico docking of phospholipids further revealed membrane binding residues that were validated through mutagenesis and cell-based assays. Collectively, these data demonstrate a novel structural basis for Irgb6 to recognize T. gondii PVM in a manner distinct from other IRGs. Summary Upon Toxoplasma gondii infection, Irgb6 is recruited to the parasitophorous vacuole membrane (PVM) where it disrupts it. We solved the atomic structures of Irgb6 in two distinct nucleotide states, revealing a unique PVM binding interface sensitive to the GTPase cycling.

GAS2 was originally identified as a growth arrest-specific protein, and recent studies have revealed its involvement in multiple cellular processes. Its dual interaction with actin filaments and microtubules highlights its essential role in cytoskeletal organization, such as cell division, apoptosis, and possibly tumorigenesis. However, the structural bases by which GAS2 regulates cytoskeletal dynamics remain unclear. In this study, we present cryo-EM structures of the GAS2-CH3 domain in complex with F-actin at 2.8 Angstrom resolution, representing the first type 3 CH domain structure bound to F-actin, confirming its actin-binding activity. We also provide the first near-atomic resolution cryo-EM structure of the GAS2-GAR domain bound to microtubules and identified conserved microtubule-binding residues. Our biochemical experiments show that GAS2 promotes microtubule nucleation and polymerization and its C-terminal region is essential for dimerization, bundling of both F-actin and microtubules, and microtubule nucleation. Based on these results, we propose how GAS2 controls cytoskeletal organization.

Abstract Upon infection with Toxoplasma gondii , host cells produce immune-related GTPases (IRGs) to kill the parasite. T. gondii counters this response by releasing ROP18 kinase, which inactivates IRG GTPases and inhibits their recruitment to the T. gondii parasitophorous vacuole (PV). However, the molecular mechanisms of this process are entirely unknown. Here we report the atomic structures of Irgb6 with a phosphomimetic mutation by ROP18. The mutant has lower GTPase activity and is not recruited to the PV membrane (PVM). The crystal structure shows the mutant exhibit a distinct conformation from the physiological nucleotide-free form, thus preventing GTPase cycling. This change allosterically modifies the conformation of the membrane-binding interface, preventing physiological PVM-binding. Docking simulation of PI5P also supports the impaired binding of the mutant to PVM. We thus demonstrate the structural basis for T. gondii escape from host cell-autonomous defense, and provide a structural model for regulating enzymatic activity by phosphorylation.

Atrial fibrillation (AF) is strongly associated with strokes, heart failure, and increased mortality. This study aims to identify the monocyte–macrophage heterogeneity and interactions of these cells with non-immune cells, and to identify functional biomarkers in patients with AF. Therefore, we assess the single cell landscape of left atria (LA), using a combination of single cell and nucleus RNA-seq. Myeloid cells in LA tissue are categorized into five macrophage clusters, three monocyte clusters, and others. Cell-Chat analysis revealed that monocytes and IL1B+ macrophages send epidermal growth factor (EGF) signals to fibroblasts. Amphiregulin (AREG) is the most upregulated gene in monocytes and IL1B+ macrophages in the AF group, compared with healthy controls from other groups. Serum AREG levels are higher in patients with persistent AF. These data suggested that EGF signaling pathway could be a therapeutic target for AF and serum AREG levels provide an effective biomarker for predicting persistent AF. Left atrial scRNA-seq from patients with atrial fibrillation (AF) reveals macrophage heterogeneity and identifies monocytes and IL1B+ macrophages as key sources of EGF signals to fibroblasts, with serum AREG emerging as a biomarker for persistent AF.

Abstract Kinesin superfamily proteins are microtubule-based molecular motors driven by the energy of ATP hydrolysis. Among them, the kinesin-4 family is a unique motor that inhibits microtubule dynamics. Although mutations of kinesin-4 cause several diseases, its molecular mechanism is unclear because of the difficulty of visualizing the high-resolution structure of kinesin-4 working at the microtubule plus-end. Here, we report that KLP-12, a C. elegans kinesin-4 ortholog of KIF21A and KIF21B, is essential for proper length control of C. elegans axons, and its motor domain represses microtubule polymerization in vitro . The crystal structure of the KLP-12 motor domain complexed with tubulin, which represents the high-resolution structural snapshot of inhibition state of microtubule-end dynamics, revealed the bending effect of KLP-12 for tubulin. Comparison with the KIF5B-tubulin and KIF2C-tubulin complexes, which represent the elongation and shrinking forms of microtubule ends, respectively, showed the curvature of tubulin introduced by KLP-12 is in between them. Taken together, KLP-12 controls the proper length of axons by modulating the curvature of the microtubule ends to inhibit the microtubule dynamics.

Abstract Lamellipodia are sheet-like cellular protrusions crucial for cell migration and endocytosis; their ultrastructure has been extensively studied using electron microscopy. However, the ultrastructure of the actin cytoskeleton during lamellipodia formation remains underexplored. Here, we employed the optogenetic tool PA-Rac1 combined with cryo-electron tomography (cryo-ET) to precisely control Rac1 activation and subsequent freezing via blue light irradiation. This approach enabled detailed structural analysis of newly formed lamellipodia in cells with intact plasma membranes. We successfully visualized lamellipodia with varying degrees of extension, representing different stages of lamellipodia formation. In minor extensions, several unbundled actin filaments formed “Minor protrusions” at several points along the leading edge. For moderately extended lamellipodia, cross-linked actin filaments formed small filopodia-like structures, termed “mini filopodia.” In the most extended lamellipodia, filopodia matured at multiple points along the leading edge, and the number of cross-linked actin filaments running nearly parallel to the leading edge increased throughout the lamellipodia. These observations suggest that actin polymerization begins in specific plasma membrane regions, forming mini filopodia that either mature into full filopodia or detach from the leading edge to form parallel filaments. This turnover of actin structures likely drives lamellipodial protrusion and stabilizes the base, providing new insights into the structural dynamics of the actin cytoskeleton and the mechanisms driving cell migration.