Stress fibers play a central role in adhesion, motility, and morphogenesis of eukaryotic cells, but the mechanism of how these and other contractile actomyosin structures are generated is not known. By analyzing stress fiber assembly pathways using live cell microscopy, we revealed that these structures are generated by two distinct mechanisms. Dorsal stress fibers, which are connected to the substrate via a focal adhesion at one end, are assembled through formin (mDia1/DRF1)–driven actin polymerization at focal adhesions. In contrast, transverse arcs, which are not directly anchored to substrate, are generated by endwise annealing of myosin bundles and Arp2/3-nucleated actin bundles at the lamella. Remarkably, dorsal stress fibers and transverse arcs can be converted to ventral stress fibers anchored to focal adhesions at both ends. Fluorescence recovery after photobleaching analysis revealed that actin filament cross-linking in stress fibers is highly dynamic, suggesting that the rapid association–dissociation kinetics of cross-linkers may be essential for the formation and contractility of stress fibers. Based on these data, we propose a general model for assembly and maintenance of contractile actin structures in cells.

Actin-depolymerizing factor (ADF)/cofilins are small actin-binding proteins found in all eukaryotes. In vitro, ADF/cofilins promote actin dynamics by depolymerizing and severing actin filaments. However, whether ADF/cofilins contribute to actin dynamics in cells by disassembling “old” actin filaments or by promoting actin filament assembly through their severing activity is a matter of controversy. Analysis of mammalian ADF/cofilins is further complicated by the presence of multiple isoforms, which may contribute to actin dynamics by different mechanisms. We show that two isoforms, ADF and cofilin-1, are expressed in mouse NIH 3T3, B16F1, and Neuro 2A cells. Depleting cofilin-1 and/or ADF by siRNA leads to an accumulation of F-actin and to an increase in cell size. Cofilin-1 and ADF seem to play overlapping roles in cells, because the knockdown phenotype of either protein could be rescued by overexpression of the other one. Cofilin-1 and ADF knockdown cells also had defects in cell motility and cytokinesis, and these defects were most pronounced when both ADF and cofilin-1 were depleted. Fluorescence recovery after photobleaching analysis and studies with an actin monomer-sequestering drug, latrunculin-A, demonstrated that these phenotypes arose from diminished actin filament depolymerization rates. These data suggest that mammalian ADF and cofilin-1 promote cytoskeletal dynamics by depolymerizing actin filaments and that this activity is critical for several processes such as cytokinesis and cell motility.

Dendritic spines are small protrusions along dendrites where the postsynaptic components of most excitatory synapses reside in the mature brain. Morphological changes in these actin-rich structures are associated with learning and memory formation. Despite the pivotal role of the actin cytoskeleton in spine morphogenesis, little is known about the mechanisms regulating actin filament polymerization and depolymerization in dendritic spines. We show that the filopodia-like precursors of dendritic spines elongate through actin polymerization at both the filopodia tip and root. The small GTPase Rif and its effector mDia2 formin play a central role in regulating actin dynamics during filopodia elongation. Actin filament nucleation through the Arp2/3 complex subsequently promotes spine head expansion, and ADF/cofilin-induced actin filament disassembly is required to maintain proper spine length and morphology. Finally, we show that perturbation of these key steps in actin dynamics results in altered synaptic transmission.

Abstract Intracellular pH is a potent modulator of neuronal functions. By catalyzing (de)hydration of CO 2 , intracellular carbonic anhydrase (CA i ) isoforms CAII and CAVII contribute to neuronal pH buffering and dynamics. The presence of two highly active isoforms suggests that they form spatially distinct CA i pools enabling subcellular modulation of pH. Here we show that CAVII, unlike CAII, is localized to the filamentous actin network, and its overexpression induces formation of thick actin bundles and membrane protrusions in fibroblasts. In neurons, CAVII is enriched in dendritic spines, and its over-expression causes aberrant spine morphology. We identified amino acids unique to CAVII that are required for direct actin interactions, promoting actin filament bundling and spine targeting. Lack of CAVII in neocortical neurons leads to reduced spine density and increased proportion of small spines. Thus, our work demonstrates highly distinct subcellular expression patterns of CAII and CAVII, and a novel, structural role of CAVII.

The axon initial segment (AIS) is the site of action potential initiation and serves as a vesicular filter and diffusion barrier that help maintain neuronal polarity. Recent studies have revealed details about a specialized structural complex in the AIS. While an intact actin cytoskeleton is required for AIS formation, pharmacological disruption of actin polymerization compromises the AIS vesicle filter but does not affect overall AIS structure. In this study, we found that the tropomyosin isoform Tpm3.1 decorates a population of relatively stable actin filaments in the AIS. Inhibiting Tpm3.1 in cultured hippocampal neurons led to the loss of AIS structure, the AIS vesicle filter, the clustering of sodium ion channels, and reduced firing frequency. We propose that Tpm3.1-decorated actin filaments form a stable actin filament network under the AIS membrane which provides a scaffold for membrane organization and AIS proteins.