Abstract Interspecies chimera formation with human pluripotent stem cells (PSCs) holds great promise to generate humanized animal models and provide donor organs for transplant. However, the approach is currently limited by low levels of human cells ultimately represented in chimeric embryos. Different strategies have been developed to improve chimerism by genetically editing donor human PSCs. To date, however, it remains unexplored if human chimerism can be enhanced in animals through modifying the host embryos. Leveraging the interspecies PSC competition model, here we discovered retinoic acid-inducible gene I (RIG-I)-like receptor (RLR) signaling, an RNA sensor, in “winner” cells plays an important role in the competitive interactions between co-cultured mouse and human PSCs. We found that genetic inactivation of Ddx58/Ifih1-Mavs-Irf7 axis compromised the “winner” status of mouse PSCs and their ability to outcompete PSCs from evolutionarily distant species during co-culture. Furthermore, by using Mavs -deficient mouse embryos we substantially improved unmodified donor human cell survival. Comparative transcriptome analyses based on species-specific sequences suggest contact-dependent human-to-mouse transfer of RNAs likely plays a part in mediating the cross-species interactions. Taken together, these findings establish a previously unrecognized role of RNA sensing and innate immunity in “winner” cells during cell competition and provides a proof-of-concept for modifying host embryos, rather than donor PSCs, to enhance interspecies chimerism.

Abstract Invasive membrane protrusions play a central role in a variety of cellular processes. Unlike filopodia, invasive protrusions are mechanically stiff and propelled by branched actin polymerization. However, how branched actin filaments are organized to create finger-like invasive protrusions remains a longstanding question in cell biology. Here, by examining the mammalian fusogenic synapse, where invasive protrusions are generated to promote cell membrane juxtaposition and fusion, we have uncovered the mechanism underlying invasive protrusion formation. We show that two Arp2/3 nucleation promoting factors (NPFs), WAVE and N-WASP, exhibit distinct and complementary localization patterns in the protrusions. While WAVE is at the leading edge, N-WASP is recruited by its interacting protein, WIP, to the shaft of the protrusion. During protrusion growth, new branched actin filaments are polymerized at the periphery of the shaft and crosslinked to preexisting actin bundles by the “pioneer” actin-bundling protein dynamin. The thickened actin bundles are further stabilized by WIP, which functions as a WH2 domain-mediated actin-bundling protein. Disrupting any of these components results in defective protrusions and myoblast fusion in cultured cells and/or in mouse embryos. Thus, our study has revealed the intricate spatiotemporal coordination between two NPFs and two actin-bundling proteins in creating invasive protrusions and has general implications in understanding protrusion formation in many cellular processes beyond cell-cell fusion.

Cell-cell fusion is an indispensable process in the conception, development and physiology of multicellular organisms. Here we demonstrate a direct and noncanonical role for dynamin, best known as a fission GTPase in endocytosis, in cell-cell fusion. Our genetic and cell biological analyses show that dynamin colocalizes within the F-actin-enriched podosome-like structures at the fusogenic synapse, which is required for generating invasive membrane protrusions and myoblast fusion in vivo, in an endocytosis-independent manner. Biochemical, negative stain EM and cryo-electron tomography (cryo-ET) analyses revealed that dynamin forms helices that directly bundles actin filaments by capturing multiple actin filaments at their outer rim via interactions with the proline-rich domain of dynamin. GTP hydrolysis by dynamin triggers disassembly of the dynamin helix, exposes the sides of the actin filaments, promotes dynamic Arp2/3-mediated branched actin polymerization, and generates a mechanically stiff actin network. Thus, dynamin functions as a unique actin-bundling protein that enhances mechanical force generation by the F-actin network in a GTPase-dependent manner. Our findings have universal implications for understanding dynamin-actin interactions in various cellular processes beyond cell-cell fusion.