Étude des rôles des signaux mécaniques sur l'activation de l'inflammasome NLRP3

Investigation of the roles of mechanical cues in NLRP3 inflammasome activation

• Auteur / Autrice : Li Ran
• Direction : Romeo Ricci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 12/09/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Sylviane Muller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Py, Olaf Groß
• DOI : 10.70675/48f82b4cz8ac0z4fa1za21dz9104be7c0d56

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inflammation

Génétique

Syndromes périodiques associés à la cryopyrine

Mécanobiologie

Mots clés libres

Inflammation

Inflammasome NLRP3

PIEZOs

Signaux mécaniques

KCNN4

Influx de calcium

Efflux de potassium

Inflammation

NLRP3 inflammasome

PIEZOs

Mechanical cues

KCNN4

Calcium influx

Potassium efflux

Résumé

L'inflammasome est un complexe protéique multimérique qui joue un rôle essentiel dans la réponse immunitaire innée contre les agents pathogènes et les lésions tissulaires. Différents stimuli, dont des toxines, l'ATP ou des cristaux, activent l'inflammasome NLRP3 qui est constitué de NLRP3, de la protéine adaptatrice apoptosis-associated speck-like protein (ASC) et de la pro-caspase-1. L'assemblage de ces composants entraîne l'auto-activation de la caspase-1 qui clive la pro-interleukine-1 bêta (pro-IL-1β) et la pro-interleukine-18 (pro-IL-18) en cytokines matures à sécréter, et la gasdermine D (GSDMD) déclenchant ainsi la mort cellulaire pro-inflammatoire appelée pyroptose. La dérégulation de l'activation de l'inflammasome NLRP3 est impliquée dans la pathogenèse de nombreuses maladies inflammatoires humaines. Des mutations gain de fonction du gène Nlrp3 conduisent au développement de syndromes périodiques associés à la cryopirine (CAPS) de gravité variable. Tous les patients CAPS présentent de la fièvre, des éruptions cutanées, des douleurs articulaires, une inflammation oculaire, et cette inflammation peut être déclenchée par l'exposition au froid (y compris la climatisation). Cependant, le mécanisme sous-jacent qui lie la différence d’hyperactivation de l’inflammasome NLRP3 à la sévérité du CAPS chez les patients demeure inconnu. Au cours de ma thèse de doctorat, j'ai montré que la mécanosensibilité médiée par les protéines PIEZO favorise l'activation de l'inflammasome NLRP3. L'activation de PIEZO1 abaisse le seuil d'activation de l'inflammasome NLRP3 en réponse à différents stimuli. J'ai également démontré que l'activation de PIEZO1 est suffisante pour activer l'inflammation dans des cellules exprimant une version mutée de NLRP3 imitant le CAPS. L'influx de calcium est essentiel pour l'effet des signaux mécaniques sur l'inflammasome NLRP3. En outre, en réalisant un criblage de gènes invalidés par CRISPR/Cas9 à l'échelle du génome, j'ai identifié que KCNN4 agissait en aval de l'activation de PIEZO1 pour promouvoir l'activation de l'inflammasome NLRP3. L'influx calcique médié par les protéines PIEZO active KCNN4, ce qui entraîne un efflux de potassium favorisant l'activation de l'inflammasome NLRP3. Le blocage de l'efflux de potassium ou l'inhibition de KCNN4 abolit l'effet de l'activation de PIEZO1 sur l'activation de l'inflammasome NLRP3. Par conséquent, mon travail a révélé le rôle des signaux mécaniques (axe PIEZOs-KCNN4) sur l'activation de l'inflammasome NLRP3, nous offrant ainsi de nouvelles perspectives thérapeutiques pour les maladies humaines liées à NLRP3.

Inflammasome is multimeric protein complex which plays vital role in innate immune response against pathogen and tissue damage. Different stimuli including toxins, ATP and crystalline reagents activate the NLRP3 inflammasome consisting of NLRP3, the adaptor protein apoptosis-associated speck-like protein (ASC) and pro-caspase-1. Assembly of these components leads to auto-activation of caspase-1 that cleaves pro-interleukin-1 beta (pro-IL-1β) and pro-interleukin-18 (pro-IL-18) into mature cytokines to be secreted, and cleaves Gasdermin D (GSDMD) triggering proinflammatory cell death called pyroptosis. Dysregulation of NLRP3 inflammasome activation has been implicated in the pathogenesis of many human inflammatory diseases. Gain of function mutations on the NLRP3 gene leads to the development of Cryopyrin Associated Periodic Syndromes (CAPS) with varied severity. All the CAPS patients experience fever, skin rash, joint pain, eye inflammation, and that inflammation could be triggered by cold exposure (including air-conditioning). However, the mechanism underlying severity-related differential hyper-activation of NLRP3 inflammasome in CAPS patients is largely unknown. During my PhD thesis, I have shown that PIEZO proteins-mediated mechanosensing promotes NLRP3 inflammasome activation. Activation of PIEZO1 lowers the threshold for NLRP3 inflammasome activation in response to different stimuli. I also demonstrated that activation of PIEZO1 is sufficient to activate inflammation in cells expressing CAPS-mimicking NLRP3 mutant. Calcium influx is critical for the effect of mechanical cues on NLRP3 inflammasome. Besides, using a genome-wide CRISPR/Cas9-mediated knockout screen, I have further identified that KCNN4 acted downstream of PIEZO1 activation to promote NLRP3 inflammasome activation. PIEZO proteins-mediated calcium influx activates KCNN4, which lead to potassium efflux promoting NLRP3 inflammasome activation. Blockade of potassium efflux or inhibition of KCNN4 abolishes the effect of PIEZO1 activation on NLRP3 inflammasome activation. Therefore, my work has revealed the roles of mechanical cues (PIEZOs-KCNN4 axis) on NLRP3 inflammasome activation, which provides us with new therapeutic insights for NLRP3-related human diseases.