Abstract The proinflammatory IL-1 cytokines IL-1α, IL-1β, and IL-18 are key mediators of the acute immune response to injury and infection. Mechanisms underlying their cellular release remain unclear. Activation of purinergic P2X7 receptors (P2X7R) by extracellular ATP is a key physiological inducer of rapid IL-1β release from LPS-primed macrophage. We investigated patterns of ATP-mediated release of IL-1 cytokines from three macrophage types in attempts to provide direct evidence for or against distinct release mechanisms. We used peritoneal macrophage from P2X7R−/− mice and found that release of IL-1α, IL-18, as well as IL-1β, by ATP resulted exclusively from activation of P2X7R, release of all these IL-1 cytokines involved pannexin-1 (panx1), and that there was both a panx1-dependent and -independent component to IL-1β release. We compared IL-1-release patterns from LPS-primed peritoneal macrophage, RAW264.7 macrophage, and J774A.1 macrophage. We found RAW264.7 macrophage readily release pro-IL-1β independently of panx1 but do not release mature IL-1β because they do not express apoptotic speck-like protein with a caspase-activating recruiting domain and so have no caspase-1 inflammasome activity. We delineated two distinct release pathways: the well-known caspase-1 cascade mediating release of processed IL-1β that was selectively blocked by inhibition of caspase-1 or panx1, and a calcium-independent, caspase-1/panx1-independent release of pro-IL-1β that was selectively blocked by glycine. None of these release responses were associated with cell damage or cytolytic effects. This provides the first direct demonstration of a distinct signaling mechanism responsible for ATP-induced release of pro-IL-1β.

Cell volume regulation is a primitive response to alterations in environmental osmolarity. The NLRP3 inflammasome is a multiprotein complex that senses pathogen- and danger-associated signals. Here, we report that, from fish to mammals, the basic mechanisms of cell swelling and regulatory volume decrease (RVD) are sensed via the NLRP3 inflammasome. We found that a decrease in extracellular osmolarity induced a K+-dependent conformational change of the preassembled NLRP3-inactive inflammasome during cell swelling, followed by activation of the NLRP3 inflammasome and caspase-1, which was controlled by transient receptor potential channels during RVD. Both mechanisms were necessary for interleukin-1β processing. Increased extracellular osmolarity prevented caspase-1 activation by different known NLRP3 activators. Collectively, our data identify cell volume regulation as a basic conserved homeostatic mechanism associated with the formation of the NLRP3 inflammasome and reveal a mechanism for NLRP3 inflammasome activation.

•Human and murine hepatocytes undergo pyroptosis and release NLRP3 inflammasome proteins. •Pyroptotic cell death in hepatocytes is dependent on caspase-1 and gasdermin D activation. •Caspase-1 activity is increased in livers and serum from NASH patients. •Nlrp3KICreA mice develop fibrosis and show increased sensitivity to liver damage. •Human hepatic stellate cells internalise extracellular NLRP3-YFP oligomeric particles. •Extracellular NLRP3 oligomeric particles perpetuate inflammation and fibrogenesis. Background & Aims Increased hepatocyte death contributes to the pathology of acute and chronic liver diseases. However, the role of hepatocyte pyroptosis and extracellular inflammasome release in liver disease is unknown. Methods We used primary mouse and human hepatocytes, hepatocyte-specific leucine 351 to proline Nlrp3KICreA mice, and GsdmdKO mice to investigate pyroptotic cell death in hepatocytes and its impact on liver inflammation and damage. Extracellular NOD-, LRR-, and pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) inflammasomes were isolated from mutant NLRP3-YFP HEK cells and internalisation was studied in LX2 and primary human hepatic stellate cells. We also examined a cohort of 154 adult patients with biopsy-proven non-alcoholic fatty liver disease (Sir Charles Gairdner Hospital, Nedlands, Western Australia). Results We demonstrated that primary mouse and human hepatocytes can undergo pyroptosis upon NLRP3 inflammasome activation with subsequent release of NLRP3 inflammasome proteins that amplify and perpetuate inflammasome-driven fibrogenesis. Pyroptosis was inhibited by blocking caspase-1 and gasdermin D activation. The activated form of caspase-1 was detected in the livers and in serum from patients with non-alcoholic steatohepatitis and correlated with disease severity. Nlrp3KICreA mice showed spontaneous liver fibrosis under normal chow diet, and increased sensitivity to liver damage and inflammation after treatment with low dose lipopolysaccharide. Mechanistically, hepatic stellate cells engulfed extracellular NLRP3 inflammasome particles leading to increased IL-1β secretion and α-smooth muscle actin expression. This effect was abrogated when cells were pre-treated with the endocytosis inhibitor cytochalasin B. Conclusions These results identify hepatocyte pyroptosis and release of inflammasome components as a novel mechanism to propagate liver injury and liver fibrosis development. Lay summary Our findings identify a novel mechanism of inflammation in the liver. Experiments in cell cultures, mice, and human samples show that a specific form of cell death, called pyroptosis, leads to the release of complex inflammatory particles, the NLRP3 inflammasome, from inside hepatocytes into the extracellular space. From there they are taken up by other cells and thereby mediate inflammatory and pro-fibrogenic stress signals. The discovery of this mechanism may lead to novel treatments for chronic liver diseases in the future. Increased hepatocyte death contributes to the pathology of acute and chronic liver diseases. However, the role of hepatocyte pyroptosis and extracellular inflammasome release in liver disease is unknown. We used primary mouse and human hepatocytes, hepatocyte-specific leucine 351 to proline Nlrp3KICreA mice, and GsdmdKO mice to investigate pyroptotic cell death in hepatocytes and its impact on liver inflammation and damage. Extracellular NOD-, LRR-, and pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) inflammasomes were isolated from mutant NLRP3-YFP HEK cells and internalisation was studied in LX2 and primary human hepatic stellate cells. We also examined a cohort of 154 adult patients with biopsy-proven non-alcoholic fatty liver disease (Sir Charles Gairdner Hospital, Nedlands, Western Australia). We demonstrated that primary mouse and human hepatocytes can undergo pyroptosis upon NLRP3 inflammasome activation with subsequent release of NLRP3 inflammasome proteins that amplify and perpetuate inflammasome-driven fibrogenesis. Pyroptosis was inhibited by blocking caspase-1 and gasdermin D activation. The activated form of caspase-1 was detected in the livers and in serum from patients with non-alcoholic steatohepatitis and correlated with disease severity. Nlrp3KICreA mice showed spontaneous liver fibrosis under normal chow diet, and increased sensitivity to liver damage and inflammation after treatment with low dose lipopolysaccharide. Mechanistically, hepatic stellate cells engulfed extracellular NLRP3 inflammasome particles leading to increased IL-1β secretion and α-smooth muscle actin expression. This effect was abrogated when cells were pre-treated with the endocytosis inhibitor cytochalasin B. These results identify hepatocyte pyroptosis and release of inflammasome components as a novel mechanism to propagate liver injury and liver fibrosis development.

NLRP3 (NOD-like receptor pyrin domain-containing protein 3) is an innate immune sensor that contributes to the development of different diseases, including monogenic autoinflammatory syndromes, gout, atherosclerosis, and Alzheimer’s disease. The molecule sulfonylurea MCC950 is a NLRP3 inflammasome inhibitor with potential clinical utility. However, the mechanism of action of MCC950 remains unknown. Here, we characterize the mechanism of action of MCC950 in both wild-type and autoinflammatory-related NLRP3 mutants, and demonstrate that MCC950 closes the ‘open’ conformation of active NLRP3. MCC950, a small-molecule inhibitor of the NLRP3 inflammasome, inactivates NLRP3, including hyperactive disease-linked mutations, by closing the ‘open’ conformation, thereby preventing conformational changes required for NLRP3 activation.

Inflammation that contributes to acute cerebrovascular disease is driven by the proinflammatory cytokine interleukin-1 and is known to exacerbate resulting injury. The activity of interleukin-1 is regulated by multimolecular protein complexes called inflammasomes. There are multiple potential inflammasomes activated in diverse diseases, yet the nature of the inflammasomes involved in brain injury is currently unknown. Here, using a rodent model of stroke, we show that the NLRC4 (NLR family, CARD domain containing 4) and AIM2 (absent in melanoma 2) inflammasomes contribute to brain injury. We also show that acute ischemic brain injury is regulated by mechanisms that require ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD), a common adaptor protein for several inflammasomes, and that the NLRP3 (NLR family, pyrin domain containing 3) inflammasome is not involved in this process. These discoveries identify the NLRC4 and AIM2 inflammasomes as potential therapeutic targets for stroke and provide new insights into how the inflammatory response is regulated after an acute injury to the brain.

Interleukin-1β (IL-1β) is a critical regulator of the inflammatory response. IL-1β is not secreted through the conventional ER–Golgi route of protein secretion, and to date its mechanism of release has been unknown. Crucially, its secretion depends upon the processing of a precursor form following the activation of the multimolecular inflammasome complex. Using a novel and reversible pharmacological inhibitor of the IL-1β release process, in combination with biochemical, biophysical, and real-time single-cell confocal microscopy with macrophage cells expressing Venus-labelled IL-1β, we have discovered that the secretion of IL-1β after inflammasome activation requires membrane permeabilisation, and occurs in parallel with the death of the secreting cell. Thus, in macrophages the release of IL-1β in response to inflammasome activation appears to be a secretory process independent of nonspecific leakage of proteins during cell death. The mechanism of membrane permeabilisation leading to IL-1β release is distinct from the unconventional secretory mechanism employed by its structural homologues fibroblast growth factor 2 (FGF2) or IL-1α, a process that involves the formation of membrane pores but does not result in cell death. These discoveries reveal key processes at the initiation of an inflammatory response and deliver new insights into the mechanisms of protein release.

Abstract The nucleotide-binding domain and leucine-rich-repeat (LRR) containing protein 3 with a pyrin domain (NLRP3) is emerging to be a critical intracellular inflammasome sensor of membrane integrity and a highly important clinical target against chronic inflammation. Here we report that the endogenous, stimulus-responsive form of full-length NLRP3 is a 12-16 mer double ring cage held together by LRR-LRR interactions with the pyrin domains shielded within the assembly to avoid premature activation. Surprisingly, this NLRP3 form is predominantly membrane localized, which is consistent with previously noted localization of NLRP3 at various membrane organelles. Structure-guided mutagenesis reveals that trans-Golgi network dispersion into vesicles, an early event observed for all NLRP3 activating stimuli, requires the double ring cages of NLRP3. Double ring-defective NLRP3 mutants further abolish inflammasome punctum formation, caspase-1 processing and cell death. Thus, unlike other inflammasome sensors that are monomeric when inactive, our data uncover a unique NLRP3 oligomer on membrane that is poised to sense diverse signals to induce inflammasome activation.

Abstract Myeloid cells recognise Gram-negative bacterial lipopolysaccharides (LPS). LPS recognition triggers inflammatory reactions through Toll-like receptor 4 (TLR4) and primes the cells for inflammasome activation. In phosphate-depleted environments, bacteria cannot produce LPS. Instead, they increase their synthesis of ornithine lipid (OL), which is constitutively present in some pathogenic Gram-negative and -positive bacteria but absent in commensals. OL is implicated in bacterial pathogenicity, but the mechanism is unclear. Using primary murine macrophages and human peripheral blood mononuclear cells, we identify OL as a partial TLR4 agonist and an NLRP3 inflammasome activator. For this, OL directly activates TLR4 and indirectly activates NLRP3 in a potassium-efflux-dependent manner. OL also upregulates the expression of NLRP3 and pro-IL-1β and induces cytokine secretion in primed and unprimed cells. By contrast, in the presence of LPS, OL functions as a partial TLR4 antagonist; LPS-induced TLR4 activation and inflammasome priming are inhibited by OL, leading to reduced TNF and IL-1β secretion. We thus suggest that in phosphate-depleted environments, OL replaces LPS bacterial immunogenicity while constitutively present OL may allow bacteria to escape immune surveillance.