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.

Activation of tumor suppressors for the treatment of human cancer has been a long sought, yet elusive, strategy. PTEN is a critical tumor suppressive phosphatase that is active in its dimer configuration at the plasma membrane. Polyubiquitination by the ubiquitin E3 ligase WWP1 (WW domain-containing ubiquitin E3 ligase 1) suppressed the dimerization, membrane recruitment, and function of PTEN. Either genetic ablation or pharmacological inhibition of WWP1 triggered PTEN reactivation and unleashed tumor suppressive activity. WWP1 appears to be a direct MYC (MYC proto-oncogene) target gene and was critical for MYC-driven tumorigenesis. We identified indole-3-carbinol, a compound found in cruciferous vegetables, as a natural and potent WWP1 inhibitor. Thus, our findings unravel a potential therapeutic strategy for cancer prevention and treatment through PTEN reactivation.

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.

NLRP1 and CARD8 are related cytosolic sensors that upon activation form supramolecular signalling complexes known as canonical inflammasomes, resulting in caspase-1 activation, cytokine maturation and/or pyroptotic cell death. NLRP1 and CARD8 use their C-terminal (CT) fragments containing a caspase recruitment domain (CARD) and the UPA subdomain of a function-to-find domain (FIIND) for self-oligomerization and recruitment of the inflammasome adaptor ASC and/or caspase-1. Here, we report cryo-EM structures of NLRP1-CT and CARD8-CT assemblies, in which the respective CARDs form central helical filaments that are promoted by oligomerized, but flexibly linked UPAs surrounding the filaments. We discover that subunits in the central NLRP1 CARD filament dimerize with additional exterior CARDs, which roughly doubles its thickness and is unique among all known CARD filaments. The thick NLRP1 filament only forms with the presence of UPA, which we hypothesize drives the intrinsic propensity for NLRP1 CARD dimerization. Structural analyses provide insights on the requirement of ASC for NLRP1-CT signalling and the contrasting direct recruitment of caspase-1 by CARD8-CT. Additionally, we present a low-resolution 4 ASC CARD –4 caspase-1 CARD octamer structure, illustrating that ASC uses opposing surfaces for NLRP1, versus caspase-1, recruitment. These structures capture the architecture and specificity of CARD inflammasome polymerization in NLRP1 and CARD8.

Abstract The malaria parasite relies on anaerobic glycolysis for energy supply when growing inside RBCs as its mitochondrion does not produce ATP. The ring stage lasts ∼ 22 hours and is traditionally thought to be metabolically quiescent. However, recent studies show that the ring stage is active for several energy-costly processes including gene transcription/translation, protein export, and movement inside the RBC. It has remained unclear if a low glycolytic flux can meet the energy demand of the ring stage. Here we show that the metabolic by-product, pyrophosphate, is a critical energy source for the development of the ring stage and its transition to the trophozoite stage. During early phases of the asexual development, the parasite utilizes Plasmodium falciparum vacuolar pyrophosphatase 1 (PfVP1), an ancient pyrophosphate-driven proton pump, to pump protons across the parasite plasma membrane to maintain the membrane potential and cytosolic pH. Conditional deletion of PfVP1 leads to delayed ring stage development and a complete blockage of the ring-to-trophozoite transition, which can be partially rescued by Arabidopsis thaliana vacuolar pyrophosphatase 1, but not by the soluble pyrophosphatase from Saccharomyces cerevisiae . Proton-pumping pyrophosphatases are absent in humans, which highlights the possibility of developing highly selective VP1 inhibitors against the malaria parasite.

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.

Horizontal gene transfer is a key driver of bacterial evolution, but it also presents severe risks to bacteria by introducing invasive mobile genetic elements. To counter these threats, bacteria have developed various defense systems, including prokaryotic Argonautes (pAgos) and the DNA defense module DdmDE system. Through biochemical analysis, structural determination, and in vivo plasmid clearance assays, we elucidate the assembly and activation mechanisms of DdmDE, which eliminates small, multicopy plasmids. We demonstrate that DdmE, a pAgo-like protein, acts as a catalytically inactive, DNA-guided, DNA-targeting defense module. In the presence of guide DNA, DdmE targets plasmids and recruits a dimeric DdmD, which contains nuclease and helicase domains. Upon binding to DNA substrates, DdmD transitions from an autoinhibited dimer to an active monomer, which then translocates along and cleaves the plasmids. Together, our findings reveal the intricate mechanisms underlying DdmDE-mediated plasmid clearance, offering fundamental insights into bacterial defense systems against plasmid invasions.

Horizontal gene transfer is a key driver of bacterial evolution, but it also presents severe risks to bacteria by introducing invasive mobile genetic elements. To counter these threats, bacteria have developed various defense systems, including prokaryotic Argonautes (pAgo) and the D NA D efense M odule DdmDE system. Through biochemical analysis, structural determination, and

ABSTRACT The Holliday junction (HJ) is a universal DNA intermediate of homologous recombination that is involved in many fundamental physiological processes. In bacteria, RuvB, a motor protein of the AAA + ATPase superfamily, drives branch migration of the Holliday junction with a mechanism that had yet to be elucidated. Here, we report two cryo-EM structures of RuvB in complex with DNA and nucleotides, providing a comprehecomplex, which was further purified nsive understanding of HJ branch migration. Six RuvB protomers assemble into a spiral staircase, in the shape of a ring, with DNA in the central pore. Four protomers of RuvB hexamer interact with the backbone of the DNA substrate, suggesting a pulling-and-revolving mechanism of DNA translocation with a basic step size of 2 nucleotides. Moreover, the variation of nucleotide-binding states in our RuvB hexamer supports a sequential model for ATP hydrolysis, ADP release, and ATP reloading, which occur at specific positions on the RuvB hexamer. Furthermore, the asymmetric assembly of RuvB also explains the 6:4 stoichiometry between RuvB and RuvA, which assembles into a complex to coordinate HJ migration in cells. Taken together, we provide a comprehensive framework for the mechanistic understanding of HJ branch migration facilitated by RuvB motor protein, which may be universally shared in both prokaryotic and eukaryotic organisms.

Summary As one of the most prevalent anti-phage defense systems in prokaryotes, Gabija consists of a Gabija protein A (GajA) and a Gabija protein B (GajB). The assembly and function of the Gabija system remain unclear. Here we present cryo-EM structures of GajA and the GajAB complex, revealing tetrameric and octameric assemblies, respectively. In the center of the complex, GajA assembles into a symmetric tetramer, which recruits two sets of GajB dimer at opposite sides of the complex, resulting in a 4:4 GajAB supramolecular complex for anti-phage defense. Further biochemical analysis showed that GajA alone is sufficient to cut double-stranded DNA and plasmid DNA, which can be inhibited by ATP. Unexpectedly, the GajAB displays enhanced activity for plasmid DNA, suggesting a role of substrate selection by GajB. Together, our study defines a framework for understanding anti-phage immune defense by the GajAB complex.