SARS-CoV-2 can cause acute respiratory distress and death in some patients1. Although severe COVID-19 is linked to substantial inflammation, how SARS-CoV-2 triggers inflammation is not clear2. Monocytes and macrophages are sentinel cells that sense invasive infection to form inflammasomes that activate caspase-1 and gasdermin D, leading to inflammatory death (pyroptosis) and the release of potent inflammatory mediators3. Here we show that about 6% of blood monocytes of patients with COVID-19 are infected with SARS-CoV-2. Monocyte infection depends on the uptake of antibody-opsonized virus by Fcγ receptors. The plasma of vaccine recipients does not promote antibody-dependent monocyte infection. SARS-CoV-2 begins to replicate in monocytes, but infection is aborted, and infectious virus is not detected in the supernatants of cultures of infected monocytes. Instead, infected cells undergo pyroptosis mediated by activation of NLRP3 and AIM2 inflammasomes, caspase-1 and gasdermin D. Moreover, tissue-resident macrophages, but not infected epithelial and endothelial cells, from lung autopsies from patients with COVID-19 have activated inflammasomes. Taken together, these findings suggest that antibody-mediated SARS-CoV-2 uptake by monocytes and macrophages triggers inflammatory cell death that aborts the production of infectious virus but causes systemic inflammation that contributes to COVID-19 pathogenesis. Antibody-mediated SARS-CoV-2 uptake by monocytes and macrophages triggers inflammatory cell death that aborts the production of infectious virus but causes systemic inflammation that contributes to COVID-19 pathogenesis.

As organelles of the innate immune system, inflammasomes activate caspase-1 and other inflammatory caspases that cleave gasdermin D (GSDMD). Caspase-1 also cleaves inactive precursors of the interleukin (IL)-1 family to generate mature cytokines such as IL-1β and IL-18. Cleaved GSDMD forms transmembrane pores to enable the release of IL-1 and to drive cell lysis through pyroptosis1–9. Here we report cryo-electron microscopy structures of the pore and the prepore of GSDMD. These structures reveal the different conformations of the two states, as well as extensive membrane-binding elements including a hydrophobic anchor and three positively charged patches. The GSDMD pore conduit is predominantly negatively charged. By contrast, IL-1 precursors have an acidic domain that is proteolytically removed by caspase-110. When permeabilized by GSDMD pores, unlysed liposomes release positively charged and neutral cargoes faster than negatively charged cargoes of similar sizes, and the pores favour the passage of IL-1β and IL-18 over that of their precursors. Consistent with these findings, living—but not pyroptotic—macrophages preferentially release mature IL-1β upon perforation by GSDMD. Mutation of the acidic residues of GSDMD compromises this preference, hindering intracellular retention of the precursor and secretion of the mature cytokine. The GSDMD pore therefore mediates IL-1 release by electrostatic filtering, which suggests the importance of charge in addition to size in the transport of cargoes across this large channel. A cryo-electron microscopy study of the gasdermin D pore reveals a model of pore assembly and a charge-based mechanism for the preferential release of mature cytokines.

The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a highly contagious virus that underlies the current COVID-19 pandemic. SARS-CoV-2 is thought to disable various features of host immunity and cellular defense. The SARS-CoV-2 nonstructural protein 1 (Nsp1) is known to inhibit host protein translation and could be a target for antiviral therapy against COVID-19. However, how SARS-CoV-2 circumvents this translational blockage for the production of its own proteins is an open question. Here, we report a bipartite mechanism of SARS-CoV-2 Nsp1 which operates by: (1) hijacking the host ribosome via direct interaction of its C-terminal domain (CT) with the 40S ribosomal subunit and (2) specifically lifting this inhibition for SARS-CoV-2 via a direct interaction of its N-terminal domain (NT) with the 5' untranslated region (5' UTR) of SARS-CoV-2 mRNA. We show that while Nsp1-CT is sufficient for binding to 40S and inhibition of host protein translation, the 5' UTR of SARS-CoV-2 mRNA removes this inhibition by binding to Nsp1-NT, suggesting that the Nsp1-NT-UTR interaction is incompatible with the Nsp1-CT-40S interaction. Indeed, lengthening the linker between Nsp1-NT and Nsp1-CT of Nsp1 progressively reduced the ability of SARS-CoV-2 5' UTR to escape the translational inhibition, supporting that the incompatibility is likely steric in nature. The short SL1 region of the 5' UTR is required for viral mRNA translation in the presence of Nsp1. Thus, our data provide a comprehensive view on how Nsp1 switches infected cells from host mRNA translation to SARS-CoV-2 mRNA translation, and that Nsp1 and 5' UTR may be targeted for anti-COVID-19 therapeutics.

SARS-CoV-2 is a highly pathogenic virus that evades anti-viral immunity by interfering with host protein synthesis, mRNA stability, and protein trafficking. The SARS-CoV-2 nonstructural protein 1 (Nsp1) uses its C-terminal domain to block the mRNA entry channel of the 40S ribosome to inhibit host protein synthesis. However, how SARS-CoV-2 circumvents Nsp1-mediated suppression for viral protein synthesis and if the mechanism can be targeted therapeutically remain unclear. Here we show that N- and C-terminal domains of Nsp1 coordinate to drive a tuned ratio of viral to host translation, likely to maintain a certain level of host fitness while maximizing replication. We reveal that the SL1 region of the SARS-CoV-2 5’ UTR is necessary and sufficient to evade Nsp1-mediated translational suppression. Targeting SL1 with locked nucleic acid antisense oligonucleotides (ASOs) inhibits viral translation and makes SARS-CoV-2 5’ UTR vulnerable to Nsp1 suppression, hindering viral replication in vitro at a nanomolar concentration. Thus, SL1 allows Nsp1 to switch infected cells from host to SARS-CoV-2 translation, presenting a therapeutic target against COVID-19 that is conserved among immune-evasive variants. This unique strategy of unleashing a virus’ own virulence mechanism against itself could force a critical trade off between drug resistance and pathogenicity.

Gasdermin-mediated inflammatory cell death (pyroptosis) can activate protective immunity in immunologically cold tumors. Here, we performed a high-throughput screen for compounds that could activate gasdermin D (GSDMD), which is expressed widely in tumors. We identified 6,7-dichloro-2-methylsulfonyl-3-N-tert-butylaminoquinoxaline (DMB) as a direct and selective GSDMD agonist that activates GSDMD pore formation and pyroptosis without cleaving GSDMD. In mouse tumor models, pulsed and low-level pyroptosis induced by DMB suppresses tumor growth without harming GSDMD-expressing immune cells. Protection is immune-mediated and abrogated in mice lacking lymphocytes. Vaccination with DMB-treated cancer cells protects mice from secondary tumor challenge, indicating that immunogenic cell death is induced. DMB treatment synergizes with anti-PD-1. DMB treatment does not alter circulating proinflammatory cytokine or leukocyte numbers or cause weight loss. Thus, our studies reveal a strategy that relies on a low level of tumor cell pyroptosis to induce antitumor immunity and raise the possibility of exploiting pyroptosis without causing overt toxicity.