Molecular mechanisms of gasdermins and pyroptosis

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  The  inflammasomes  are  crucial  innate  immune  signaling  platforms  implicated  in  immune  defense  against  infections  and  autoimmune/autoinflammatory  disorders  such  as  multiple  sclerosis,  diabetes,  and  Alzheimer’s  disease. Pyroptosis is triggered by inflammatory caspases-­1, 4, 5, or 11 upon stimulation of the canonical and  noncanonical inflammasomes. Despite the recent progress on the identification and characterization of GSDMD  as an effector of pyroptosis, the molecular events underlying the transformation of GSDMD from an autoinhibited  resting state to the recognition and cleavage by caspases has remained poorly defined. The lack of mechanistic  understanding  of  GSDMD-­mediated  pyroptosis  has  hampered  progress  on  the  development  of  novel  therapeutics against infections and autoimmune/autoinflammatory disorders. This proposal targets critical gaps  in  our  understanding  of  GSDMD/inflammatory  caspase-­mediated  pyroptosis  using  complementary  structure-­ function approaches. We hypothesize that GSDMD is maintained in an autoinhibited conformation through  intramolecular domain interactions between its N-­ (GSDMD-­N) and C-­terminal (GSDMD-­C) domains. Such  conformation  is  recognized  by  inflammatory  caspases  that  cleave  at  the  linker  region  to  release  the  autoinhibition  and  facilitate  membrane  pore  formation.  We  propose  the  following  specific  aims  to  test  the  above hypothesis. Aim 1. Define the mechanism through which GSDMD maintains its autoinhibited state, and  how such autoinhibition may be regulated by small molecule tool compounds. We will characterize the structure  of the GSDMD domains and the full-­length protein in its autoinhibited state using primarily structural approaches,  in concert with analysis of the GSDMD-­N and GSDMD-­C interactions through biochemical techniques. The role  of  the  intramolecular  domain  interface  during  Salmonella  infection-­induced  pyroptosis  will  be  probed  using  GSDMD-­deficient  cell  lines  reconstituted  with  mutant  GSDMD.  A  unique  feature  of  our  approach  is  the  incorporation of GSDMD-­binding compounds identified from chemical libraries screening into the above efforts  to  investigate  the  regulation  of  GSDMD  and  pyroptosis  by  small  molecule  tool  compounds.  Aim  2.  Define  the  mechanisms of gasdermin recognition and cleavage by inflammatory caspases. We will elucidate the molecular  basis  of  the  conversion  of  caspases-­4  and  11  from  zymogens  to  active  conformation,  which  has  been  poorly  characterized. We will investigate the mechanism of GSDMD recognition by these caspases, which may involve  both the linker peptides and tertiary structure of GSDMD. In summary, this project will delineate the molecular  mechanisms  underlying  the  autoinhibition  and  activation  of  GSDMD  during  pyroptosis,  identify  small  molecule  tool compounds and characterize their mode of action in the context of pyroptosis regulation. This will not only  furnish  unique  insights  on  GSDMD  structure  and  function,  but  may  stimulate  the  development  of  therapeutics  that target inflammatory disorders.