主要的铁是生物体内使用最广泛的过渡金属，在所有生命领域中几乎都是必需的。 在人类中，大部分铁以血红素的形式结合在红细胞中的血红蛋白中。 血红素是在一个多步骤过程中合成的，该过程的开始和结束都发生在线粒体中，但也存在细胞外血红素摄取的机制。连同铁-硫簇，血红素代表细胞铁的主要功能池，以支持氧化还原反应、电子和氧的运输以及信号传导。然而，像游离铁一样，过量的血红素是细胞毒性的，必须严格调节。半个世纪前，基于对网织红细胞（红细胞的前体）的实验，提出了一种因素，该因素解码细胞的血红素状态（以下简称血红素稳态）并相应地调节翻译。这项开创性工作证明，向网织红细胞裂解物中添加一种可进入细胞的血红素来源——血红素，促进了核糖体的活性，表明存在一种血红素抑制的翻译抑制因子。后来，该因子被确定为血红素调节抑制因子（HRI），它是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，可以磷酸化真核起始因子2α（eIF2α）。 eIF2α的磷酸化是综合应激反应（ISR）的标志，ISR通常阻止大多数细胞mRNA的翻译，同时有利于某些蛋白质的生物合成，包括激活转录因子4（ATF4）和C/EBP同源蛋白（CHOP）。目前理解HRI在调节血红素可用性下的珠蛋白合成的关键功能是通过在线粒体基质中的直接血红素感知使能的。最初被认为是红细胞特异性，后来发现HRI广泛表达，并在红细胞的发育之外发挥功能。最近，我们和其他研究者发现HRI作为一个关键激酶，充当导电系统的关键部分，将线粒体缺陷传递到细胞质。应激激活的蛋白酶OMA1在导入过程中切割线粒体蛋白DELE1，这触发了其再次分布到细胞质中。细胞质中的短DELE1（S-DELE1）通过未知机制结合并激活HRI，启动线粒体ISR。此相互作用及DELE1介导的ISR信号未被血红素消减，这表明DELE1和血红素可能代表不相关的HRI输入。值得注意的是，具有与HRI预测结构相似性的蛋白质可以在缺乏血红蛋白生物学的低等生物中找到，这暗示了该激酶更古老的功能。HRI的血红素感知依赖于线粒体。为了阐明HRI如何响应血红素缺乏，我们首先建立了血红素消耗和检测的方法。一种血红素消耗策略是使用琥珀酸乙酯（SA）或N-甲基卟啉IX（NMPP）抑制其合成。SA与前体δ-氨基酮戊酸（5-ALA）竞争，而NMPP抑制铁卟啉合成酶（FECH），后者是血红素生物合成的最后一步。为了测量细胞血红素，我们建立了一种基于辣根过氧化物酶（HRP）的比色测定法，该法需要血红素作为辅因子。该方法检测到由SA或NMPP诱导的血红素缺乏，其差异通过5-ALA补充进一步增强。为了消耗细胞血红素超过去新合成的抑制，我们考虑了抗疟药物二氢青蒿素（DHA），它与血红素发生化学反应并刺激HRI活性。短暂用DHA处理导致血红素消耗，而游离铁水平在DHA、SA或NMPP的影响下基本不变。正如预期，血红素稳态的扰动触发了ISR信号，后者因补充血红素而被增强。增强的过程与解离血红素的血红素氧合酶无关，且并未由铁补充所再现。最后，用内质网应激物质tunacamycin急性处理细胞未导致血红素缺乏，并且SA诱导或DHA诱导的血红素损失在缺乏HRI的细胞中持续存在。图1：HRI的血红素感知是通过OMA1和DELE1进行的线粒体表型。a，HRI在293T细胞中通过apoHRP活性检测血红素水平，细胞培养48小时后分别用DHA、SA或tunicamycin（TM）处理。图中标示的地方，使用5-ALA以刺激血红素合成（n = 3独立生物重复的均值±标准差（s.d.）；使用Dunnett的多重比较检验进行的一元方差分析（ANOVA）。a.u.为任意单位。b，基于CHOP Neon的血红素饥饿诱导的ISR信号调节因子的单倍体基因筛选（n = 2.19 × 10 7个检查过的单细胞）。显著富集突变的基因（点）以深灰色或彩色显示（双侧Fisher精确检验，假发现率（FDR）校正P = < 0.05）。c，293T中ISR信号的免疫印迹。