In mammalian cells, mitochondrial dysfunction triggers the integrated stress response, in which the phosphorylation of eukaryotic translation initiation factor 2α (eIF2α) results in the induction of the transcription factor ATF41–3. However, how mitochondrial stress is relayed to ATF4 is unknown. Here we show that HRI is the eIF2α kinase that is necessary and sufficient for this relay. In a genome-wide CRISPR interference screen, we identified factors upstream of HRI: OMA1, a mitochondrial stress-activated protease; and DELE1, a little-characterized protein that we found was associated with the inner mitochondrial membrane. Mitochondrial stress stimulates OMA1-dependent cleavage of DELE1 and leads to the accumulation of DELE1 in the cytosol, where it interacts with HRI and activates the eIF2α kinase activity of HRI. In addition, DELE1 is required for ATF4 translation downstream of eIF2α phosphorylation. Blockade of the OMA1–DELE1–HRI pathway triggers an alternative response in which specific molecular chaperones are induced. The OMA1–DELE1–HRI pathway therefore represents a potential therapeutic target that could enable fine-tuning of the integrated stress response for beneficial outcomes in diseases that involve mitochondrial dysfunction. A genome-wide CRISPR interference screen shows that a signalling pathway involving OMA1, DELE1 and the eIF2α kinase HRI relays mitochondrial stress to the cytosol to trigger the integrated stress response.

ABSTRACT Microglia are emerging as key drivers of neurological diseases. However, we lack a systematic understanding of the underlying mechanisms. Here, we present a screening platform to systematically elucidate functional consequences of genetic perturbations in human iPSC-derived microglia. We developed an efficient eight-day protocol for the generation of microglia-like cells based on the inducible expression of six transcription factors. We established inducible CRISPR interference and activation in this system and conducted three screens targeting the “druggable genome”. These screens uncovered genes controlling microglia survival, activation and phagocytosis, including neurodegeneration-associated genes. A screen with single-cell RNA sequencing as the readout revealed that these microglia adopt a spectrum of states mirroring those observed in human brains and identified regulators of these states. A disease-associated state characterized by SPP1 expression was selectively depleted by CSF1R inhibition. Thus, our platform can systematically uncover regulators of microglia states, enabling their functional characterization and therapeutic targeting.

Abstract In mammalian cells, mitochondrial dysfunction triggers the integrated stress response (ISR), in which eIF2α phosphorylation upregulates the transcription factor ATF4. However, how mitochondrial stress is relayed to the ISR is unknown. We found that HRI is the eIF2α kinase necessary and sufficient for this relay. Using an unbiased CRISPRi screen, we identified factors upstream of HRI: OMA1, a mitochondrial stress-activated protease, and DELE1, a little-characterized protein we found to be associated with the inner mitochondrial membrane. Mitochondrial stress stimulates the OMA1-dependent cleavage of DELE1, leading to its accumulation in the cytosol, where it interacts with HRI and activates its eIF2α kinase activity. Blockade of the OMA1-DELE1-HRI pathway is beneficial during some, but not all types of mitochondrial stress, and leads to an alternative response that induces specific molecular chaperones. Therefore, this pathway is a potential therapeutic target enabling fine-tuning of the ISR for beneficial outcomes in diseases involving mitochondrial dysfunction.

Abstract Mitochondria are dynamic organelles that must continually adapt and respond to cellular stress. Recent studies demonstrated that mitochondrial stress can be relayed from mitochondria to the cytosol by the release of a C-terminal proteolytic fragment of DELE1 that binds to the eIF2α kinase HRI to initiate integrate stress response (ISR) signaling. Here, we report the cryo-electron microscopy structure of the active, C-terminal cleavage product of human DELE1 at ∼ 3.8 A° resolution. Our structure reveals that DELE1 assembles into a high-order oligomer that is observed both in vitro and in mammalian cells. Structurally, the oligomer consists of eight DELE1 monomers that assemble with D4 symmetry via two sets of distinct hydrophobic inter-subunit interactions. We identified the key residues involved in DELE1 oligomerization, and confirmed their role in stabilizing the octamer in vitro and in cells using mutagenesis. Further, we show that assembly impaired DELE1 mutants are compromised in their ability to induce ISR activation in cell culture models. Together, our findings provide molecular insights into the activity of DELE1 and how it signals to promote ISR activity following mitochondrial insult.

SUMMARY The integrated stress response (ISR) comprises the eIF2α kinases PERK, GCN2, HRI, and PKR, which induce translational and transcriptional signaling in response to diverse insults. Deficiencies in PERK signaling lead to mitochondrial dysfunction and contribute to the pathogenesis of numerous diseases. We define the potential for pharmacologic activation of compensatory eIF2α kinases to rescue ISR signaling and promote mitochondrial adaptation in PERK-deficient cells. We show that the HRI activator BtdCPU and GCN2 activator halofuginone promote ISR signaling and rescue ER stress sensitivity in PERK-deficient cells. However, BtdCPU induces mitochondrial depolarization, leading to mitochondrial fragmentation and activation of the OMA1-DELE1-HRI signaling axis. In contrast, halofuginone promotes mitochondrial elongation and adaptive mitochondrial respiration, mimicking regulation induced by PERK. This shows halofuginone can compensate for deficiencies in PERK signaling and promote adaptive mitochondrial remodeling, highlighting the potential for pharmacologic ISR activation to mitigate mitochondrial dysfunction and motivating the pursuit of highly-selective ISR activators.