Cell and tissue morphogenesis depend on the production and spatial organization of tensional forces in the actin cytoskeleton. Actin network architecture is complex because it is made of distinct modules in which filaments adopt a variety of organizations. The assembly and dynamics of these modules is well described but the self-organisation rules directing the global network architecture are much less understood. Here we investigated the mechanism regulating the interplay between network architecture and the geometry of cell’s extracellular environment. We found that α-actinin, a filament crosslinker, is essential for network symmetry to be consistent with extracellular microenvironment symmetry. It appeared to be required for the interconnection of transverse arcs with radial fibres to ensure an appropriate balance between forces at cell adhesions and across the entire actin network. Furthermore, the connectivity of the actin network appeared necessary for the cell ability to integrate and adapt to complex patterns of extracellular cues as they migrate. Altogether, our study has unveiled a role of actin-filament crosslinking in the physical integration of mechanical forces throughout the entire cell, and the role of this integration in the establishment and adaptation of intracellular symmetry axes in accordance with the geometry of extracellular cues.

ABSTRACT Cytoskeletal filaments assemble into dense parallel, antiparallel or disordered networks, providing a complex environment for active cargo transport and positioning by molecular motors. The interplay between the network architecture and intrinsic motor properties clearly affects transport properties but remains poorly understood. Here, by using surface micro-patterns of actin polymerization, we investigate stochastic transport properties of colloidal beads in antiparallel networks of overlapping actin filaments. We found that 200-nm beads coated with myosin-Va motors displayed directed movements towards positions where the net polarity of the actin network vanished, accumulating there. The bead distribution was dictated by the spatial profiles of local bead velocity and diffusion coefficient, indicating that a diffusion-drift process was at work. Remarkably, beads coated with heavy mero-myosin-II motors showed a similar behavior. However, although velocity gradients were steeper with myosin II, the much larger bead diffusion observed with this motor resulted in less precise positioning. Our observations are well described by a three-state model, in which active beads locally sense the net polarity of the network by frequently detaching from and reattaching to the filaments. A stochastic sequence of processive runs and diffusive searches results in a biased random walk. The precision of bead positioning is set by the gradient of net actin polarity in the network and by the run length of the cargo in an attached state. Our results unveiled physical rules for cargo transport and positioning in networks of mixed polarity. Significance statement Cellular functions rely on small groups of molecular motors to transport their cargoes throughout the cell along polar filaments of the cytoskeleton. Cytoskeletal filaments self-assemble into dense networks comprising intersections and filaments of mixed polarity, challenging directed motor-based transport. Using micro-patterns of actin polymerization in-vitro, we investigated stochastic transport of colloidal beads in antiparallel networks of overlapping actin filaments. We found that beads coated with myosin motors sensed the net polarity of the actin network, resulting in active bead positioning to regions of neutral polarity with a precision depending on the motor type. A theoretical description of our experimental results provides the key physical rules for cargo transport and positioning in filament networks of mixed polarity.