SUMMARY The assembly and maintenance of actin-based mechanosensitive stereocilia in the cochlea is critical for lifelong hearing. Myosin-15 (MYO15) is hypothesized to modulate stereocilia height by trafficking actin regulatory proteins to their tip compartments, where actin polymerization must be precisely controlled during development. We identified a mutation (p.D1647G) in the MYO15 motor-domain that initially maintained trafficking, but caused progressive hearing loss by stunting stereocilia growth, revealing an additional function for MYO15. Consistent with its maintenance of tip trafficking in vivo , purified p.D1647G MYO15 modestly reduced actin-stimulated ATPase activity in vitro . Using ensemble and single-filament fluorescence in vitro assays, we demonstrated that wild-type MYO15 directly accelerated actin filament polymerization by driving nucleation, whilst p.D1647G MYO15 blocked this activity. Collectively, our studies suggest direct actin nucleation by MYO15 at the stereocilia tip is necessary for elongation in vivo , and that this is a primary mechanism disrupted in DFNB3 hereditary human hearing loss.

Summary The motor protein myosin-15 is necessary for the development and maintenance of mechanosensory stereocilia, and myosin-15 mutations cause profound deafness. In a companion study, we report that myosin-15 nucleates actin filament (“F-actin”) assembly and identify a progressive hearing loss mutation (p.D1647G, “ jordan ”) which disrupts stereocilia elongation by inhibiting actin polymerization. Here, we present cryo-EM structures of myosin-15 bound to F-actin, providing a framework for interpreting deafness mutations and their impacts on myosin-stimulated actin assembly. Rigor myosin-15 evokes conformational changes in F-actin yet maintains flexibility in actin’s D-loop, which mediates inter-subunit contacts, while the jordan mutant locks the D-loop in a single conformation. ADP-bound myosin-15 also locks the D-loop, which correspondingly blunts actin-polymerization stimulation. We propose myosin-15 enhances polymerization by bridging actin protomers, regulating nucleation efficiency by modulating actin’s structural plasticity in a myosin nucleotide-state dependent manner. This tunable regulation of actin polymerization could be harnessed to precisely control stereocilium height.

Summary ATP hydrolysis-coupled actin polymerization is a fundamental mechanism of cellular force generation. Force and actin filament (F-actin) nucleotide state in turn modulate the engagement of actin binding proteins (ABPs) to regulate actin dynamics through unknown mechanisms. Here, we show that bending forces evoke structural transitions in F-actin which are modulated by actin nucleotide state. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of ADP- and ADP-P i -F-actin with sufficient resolution to visualize bound solvent reveal inter-subunit interactions primarily bridged by waters which could contribute to lattice flexibility. Despite substantial ordered solvent differences in the nucleotide binding cleft, these structures feature essentially indistinguishable protein backbone conformations which are unlikely to be discriminable by ABPs. We next introduce a machine-learning enabled pipeline for reconstructing bent filaments, enabling us to visualize both continuous structural variability and side-chain level detail. Bent F-actin structures reveal major rearrangements at inter-subunit interfaces characterized by striking alterations of helical twist and deformations of individual protomers which are distinct in ADP- and ADP-P i -F-actin. This suggests phosphate rigidifies actin subunits to alter F-actin’s bending structural landscape. We therefore propose actin nucleotide state serves as a co-regulator of F-actin mechanical regulation, as bending forces evoke nucleotide-state dependent conformational transitions that could be readily detected by ABPs.

Abstract To fulfill the cytoskeleton’s diverse functions in cell mechanics and motility, actin networks with specialized architectures are built by crosslinking proteins, which bridge filaments to control micron-scale network geometry through nanoscale binding interactions via poorly defined structural mechanisms. Here, we introduce a machine-learning enabled cryo-EM pipeline for visualizing active crosslinkers, which we use to analyze human T-plastin, a member of the evolutionarily ancient plastin/fimbrin family of tandem calponin-homology domain (CHD) proteins. We define a sequential bundling mechanism which enables T-plastin to bridge filaments in both parallel and anti-parallel orientations. Our structural, biochemical, and cell biological data highlight inter-CHD linkers as key structural elements underlying flexible but stable crosslinking which are likely to be disrupted by mutations causing hereditary bone diseases. Beyond revealing how plastins are evolutionary optimized to crosslink dense actin networks with mixed polarity, our cryo-EM workflow will broadly enable analysis of the structural mechanisms underlying cytoskeletal network construction. One sentence summary Cryo-EM, biochemical, and cellular studies reveal how the crosslinking protein T-plastin bridges actin filaments in two opposing orientations.

Mechanical signals transmitted through the cytoplasmic actin cytoskeleton must be relayed to the nucleus to control gene expression. LIM domains are protein-protein interaction modules found in cytoskeletal proteins and transcriptional regulators; however, it is unclear if there is a direct link between these two functions. Here we identify three LIM protein families (zyxin, paxillin, and FHL) whose members preferentially localize to the actin cytoskeleton in mechanically-stimulated cells through their tandem LIM domains. A minimal actin-myosin reconstitution system reveals that representatives of all three families directly bind F-actin only in the presence of mechanical force. Point mutations at a site conserved in each LIM domain of these proteins selectively disrupt tensed F-actin binding in vitro and cytoskeletal localization in cells, demonstrating a common, avidity-based mechanism. Finally, we find that binding to tensed F-actin in the cytoplasm excludes the cancer-associated transcriptional co-activator FHL2 from the nucleus in stiff microenvironments. This establishes direct force-activated F-actin binding by FHL2 as a mechanosensing mechanism. Our studies suggest that force-dependent sequestration of LIM proteins on the actin cytoskeleton could be a general mechanism for controlling nuclear localization to effect mechanical signaling.

Summary Fascin crosslinks actin filaments (F-actin) into bundles that support tubular membrane protrusions including filopodia and stereocilia. Fascin dysregulation drives aberrant cell migration during metastasis, and fascin inhibitors are under development as cancer therapeutics. Here, we use cryo-electron microscopy, cryo-electron tomography coupled with custom denoising, and computational modeling to probe fascin’s F-actin crosslinking mechanisms across spatial scales. Our fascin crossbridge structure reveals an asymmetric F-actin binding conformation that is allosterically blocked by the inhibitor G2. Reconstructions of seven-filament hexagonal bundle elements, variability analysis, and simulations show how structural plasticity enables fascin to bridge varied inter-filament orientations, accommodating mismatches between F-actin’s helical symmetry and bundle hexagonal packing. Tomography of many-filament bundles and modeling uncovers geometric rules underlying emergent fascin binding patterns, as well as the accumulation of unfavorable crosslinks that limit bundle size. Collectively, this work shows how fascin harnesses fine-tuned nanoscale structural dynamics to build and regulate micron-scale F-actin bundles.

Surgical site infections (SSIs) remain a conundrum for neurosurgeons. This study examines the efficacy and outcome of vacuum sealing drainage (VSD) in the treatment of pyogenic SSIs following intracranial neurosurgery.