Spectrin is a membrane skeletal protein best known for its structural role in maintaining cell shape and protecting cells from mechanical damage. Here, we report that spectrin dynamically accumulates and dissolves at the fusogenic synapse, where an attacking fusion partner mechanically invades its receiving partner with actin-propelled protrusions to promote cell-cell fusion. Using genetics, cell biology, biophysics and mathematical modeling, we demonstrate that unlike myosin II that responds to dilation deformation, spectrin exhibits a mechanosensitive accumulation in response to shear deformation, which is highly elevated at the fusogenic synapse. The accumulated spectrin forms an uneven network, which functions as a sieve to constrict the invasive fingerlike protrusions, thus putting the fusogenic synapse under high mechanical tension to promote cell membrane fusion. Taken together, our study has revealed a previously unrecognized function of spectrin as a dynamic mechanoresponsive protein that shapes the architecture of intercellular invasion. These findings have general implications for understanding spectrin function in other dynamic 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.

ABSTRACT Cell growth is well defined for the late (post-embryonic) stages of development, but evidence for early (embryonic) cell growth during post-mitotic morphogenesis is quite limited. Here, we identify early cell growth as a key characteristic of tubulogenesis in the Drosophila embryonic salivary gland (SG). A BTB/POZ domain nuclear factor, Ribbon (Rib), mediates this early cell growth. Rib binds the transcription start site of nearly every SG-expressed ribosomal protein gene (RPG) and is required for full expression of all RPGs tested. Rib binding to RPG promoters in vitro is weak and not sequence-specific, suggesting that specificity is achieved through co-factor interactions. Consistent with this hypothesis, we demonstrate Rib’s ability to physically interact with each of the three known contributors to RPG transcription. Surprisingly, Rib-dependent early cell growth in another tubular organ—the embryonic trachea—is not mediated by direct RPG transcription. These findings support a model of early cell growth sustained by transcriptional regulatory networks customized for organ form and function.