Abstract Septin GTP-binding proteins contribute essential biological functions that range from the establishment of cell polarity to animal tissue morphogenesis. Human septins in cells form hetero-octameric septin complexes containing the ubiquitously expressed SEPT9. Despite the established role of SEPT9 in mammalian development and human pathophysiology, biochemical and biophysical studies have relied on monomeric SEPT9 thus not recapitulating its native assembly into hetero-octameric complexes. We established a protocol that enabled the first-time isolation of recombinant human septin octamers containing distinct SEPT9 isoforms. A combination of biochemical and biophysical assays confirmed the octameric nature of the isolated complexes in solution. Reconstitution studies showed that octamers with either a long or a short SEPT9 isoform form filament assemblies, and can directly bind and cross-link actin filaments, raising the possibility that septin-decorated actin structures in cells reflect direct actin-septin interactions. Recombinant SEPT9-containing octamers will make it possible to design cell-free assays to dissect the complex interactions of septins with cell membranes and the actin/microtubule cytoskeleton. Summary Human septins in cells form hetero-octameric complexes containing the ubiquitously expressed SEPT9. Iv et al. describe the first-time isolation of recombinant human septin octamers with distinct SEPT9 isoforms. Reconstitution studies show that octamers with either a long or a short SEPT9 isoform form higher-order filament assemblies and directly bind and cross-link actin filaments.

Abstract Septins are cytoskeletal proteins conserved from algae and protists to mammals. Septin knock-out animals have established that septins are essential for animal physiology, but their molecular function remains elusive. A unique feature of septins is their presence as heteromeric complexes that polymerize into filaments in solution and on lipid membranes. Although animal septins associate extensively with actin-based structures in cells, whether actin-decorating septins organize as filaments and if septin organization impacts septin function is not known. Customizing a tripartite split-GFP complementation assay for probing the presence and composition of septin filaments in situ in cells, we show that all septins decorating actin stress fibers are present as filaments whose integrity depends on octameric septin protomers. Atomic force microscopy nanoindentation measurements on cells confirmed that cell stiffness depends on the presence of octamer-containing septin filaments. Super-resolution structured illumination microscopy revealed septin fibers with widths compatible with their organization as paired septin filaments. Nanometer-resolved distance measurements and single-protein tracking further showed that actin-associated septin filaments are membrane-bound and largely immobilized. Finally, reconstitution assays on supported lipid bilayers showed that septin filaments mediate actin-membrane anchoring. We propose that septin organization as octamer-based filaments is essential for septin function in anchoring and stabilizing actin fibers at the plasma membrane.

The cytoskeletal protein actin is crucial for cell shape and integrity throughout eukaryotes. Actin filaments perform essential biological functions, including muscle contraction, cell division and tissue morphogenesis. These diverse activities are achieved through the ability of actin filaments to be arranged into diverse architectures, but a detailed appreciation of the dynamic organizational state of the actin filaments has been hindered by available tools. Fluorescence polarization microscopy is uniquely placed for measuring actin organization by exploiting the sensitivity of polarized light excitation to the orientation of fluorophores attached to actin filaments. By engineering constrained fluorescent protein fusions to widely used actin localization reporters, we have succeeded in developing novel genetically-encoded reporters for non-invasive, quantitative measurements of actin filament organization in living cells by fluorescence polarization microscopy. We show examples of actin organization measurements in living mammalian cells in culture, as well as in vivo in fission yeast, C. elegans and Drosophila.