Abstract Nup358, a nuclear pore protein, facilitates a nuclear positioning pathway that is essential for many biological processes, including neuromuscular and brain development. Nup358 binds and activates the auto-inhibited dynein adaptor Bicaudal D2 (BicD2), which in turn recruits and activates the dynein machinery to position the nucleus. However, the molecular details of the Nup358/BicD2 interaction remain poorly understood. Here, we show that a minimal Nup358 domain activates dynein/dynactin/BicD2 for processive motility on microtubules. Using nuclear magnetic resonance (NMR) titration and chemical exchange saturation transfer (CEST), a Nup358 helix encompassing residues 2162-2184 was identified, which transitioned from random coil to an α-helix upon BicD2-binding and formed the core of the Nup358-BicD2 interface. Mutations in this region of Nup358 decreased the Nup358/BicD2 interaction, resulting in decreased dynein recruitment and impaired motility. BicD2 thus recognizes the cargo adaptor Nup358 though a “cargo recognition α-helix”, a structural feature that may stabilize BicD2 in its activated state and promote processive dynein motility.

The dynein adaptor Drosophila Bicaudal D (BicD) is auto-inhibited and activates dynein motility only after cargo is bound, but the underlying mechanism is elusive. In contrast, we show that the full-length BicD/F684I mutant activates dynein processivity even in the absence of cargo. Our X-ray structure of the C-terminal domain of the BicD/F684I mutant reveals a coiled-coil registry shift; in the N-terminal region, the two helices of the homodimer are aligned, whereas they are vertically shifted in the wild-type. One chain is partially disordered and this structural flexibility is confirmed by computations, which reveal that the mutant transitions back and forth between the two registries. We propose that a coiled-coil registry shift upon cargo binding activates BicD for dynein recruitment. Moreover, the human homolog BicD2/F743I exhibits diminished binding of cargo adaptor Nup358, implying that a coiled-coil registry shift may be a mechanism to modulate cargo selection for BicD2–dependent transport pathways.

Dynein adaptors such as Bicaudal D2 (BicD2) recognize cargo for dynein-dependent transport. BicD2-dependent transport pathways are important for brain and muscle development. Cargo-bound adaptors are required to activate dynein for processive transport, but the mechanism of action is elusive. Here, we report the structure of the cargo-binding domain of human BicD2 that forms a dimeric coiled-coil with homotypic registry, in which both helices are aligned. To investigate if BicD2 can switch to an asymmetric registry, where a portion of one helix is vertically shifted, we performed molecular dynamics simulations. Both registry types are stabilized by distinct conformations of F743. For the F743I variant, which increases dynein recruitment in the Drosophila homolog, and for the human R747C variant, which causes spinal muscular atrophy, spontaneous coiled-coil registry shifts are observed, which may cause the BicD2-hyperactivation phenotype and disease. We propose that a registry shift upon cargo-binding activates auto-inhibited BicD2 for dynein recruitment.