Abstract Choline is an essential nutrient that the human body needs in vast quantities for cell membrane synthesis, epigenetic modification, and neurotransmission. The brain has a particularly high demand for choline, but how it enters the brain has eluded the field for over fifty years. The MFS transporter FLVCR1 was recently determined to be a choline transporter, and while this protein is not highly expressed at the blood-brain barrier (BBB), its relative FLVCR2 is. Previous studies have shown that mutations in human Flvcr2 cause cerebral vascular abnormalities, hydrocephalus, and embryonic lethality, but the physiological role of FLVCR2 is unknown. Here, we demonstrate both in vivo and in vitro that FLVCR2 is a BBB choline transporter and is responsible for the majority of choline uptake into the brain. We also determine the structures of choline-bound FLVCR2 in the inward- and outward-facing states using cryo-electron microscopy to 2.49 and 2.77 Å resolution, respectively. These results reveal how the brain obtains choline and provide molecular-level insights into how FLVCR2 binds choline in an aromatic cage and mediates its uptake. Our work could provide a novel framework for the targeted delivery of neurotherapeutics into the brain.

Congenital hydrocephalus (CH), occurring in approximately 1/1,000 live births, represents an important clinical challenge due to the limited knowledge of underlying molecular mechanisms. The discovery of novel CH genes is thus essential to shed light on the intricate processes responsible for ventricular dilatation in CH. Here, we identify FLVCR1 (feline leukemia virus subgroup C receptor 1) as a gene responsible for a severe form of CH in humans and mice. Mechanistically, our data reveal that the full-length isoform encoded by the FLVCR1 gene, FLVCR1a, interacts with the IP3R3-VDAC complex located on mitochondria-associated membranes (MAMs) that controls mitochondrial calcium handling. Loss of Flvcr1a in mouse neural progenitor cells (NPCs) affects mitochondrial calcium levels and energy metabolism, leading to defective cortical neurogenesis and brain ventricle enlargement. These data point to defective NPCs calcium handling and metabolic activity as one of the pathogenetic mechanisms driving CH.

The recent proliferation of new Cre and CreER recombinase lines provides researchers with a diverse toolkit to study microglial gene function. To determine how best to apply these lines in studies of microglial gene function, a thorough and detailed comparison of their properties is needed. Here, we examined four different microglial CreER lines (Cx3cr1CreER(Litt), Cx3cr1CreER(Jung), P2ry12CreER, Tmem119CreER), focusing on (1) recombination specificity; (2) leakiness - degree of non-tamoxifen recombination in microglia and other cells; (3) efficiency of tamoxifen-induced recombination; (4) extra-neural recombination -the degree of recombination in cells outside the CNS, particularly myelo/monocyte lineages (5) off-target effects in the context of neonatal brain development. We identify important caveats and strengths for these lines which will provide broad significance for researchers interested in performing conditional gene deletion in microglia. We also provide data emphasizing the potential of these lines for injury models that result in the recruitment of splenic immune cells.

As the resident macrophages of the brain and spinal cord, microglia are crucial for the phagocytosis of infectious agents, apoptotic cells and synapses. Developmentally, microglia originate from the embryonic yolk sac and serve important roles in the sculpting of neonatal neural circuits. During brain injury or infection, bone-marrow derived macrophages invade neural tissue, making it difficult to distinguish between invading macrophages and resident microglia. In addition to circulation-derived monocytes, other non-microglial central nervous system (CNS) macrophage subtypes include borderzone (meningeal and perivascular) and choroid plexus macrophages. To distinguish between resident microglia and these other CNS macrophage subtypes, we generated a P2ry12-CreER mouse line. P2RY12 is a microglial-specific nucleotide sensing GPCR that is important for microglial response to tissue damage. Using immunofluorescent labeling and flow cytometry experiments, we show that P2ry12-CreER recombination is exceptionally specific to parenchymal microglia. We also perform ribosome immunoprecipitations and transcriptional profiling of P2ry12-CreER recombined cells, using a Cre-dependent Rpl22-HA mouse line. By identifying genes enriched in this dataset that are not correspondingly enriched in a broader Cx3CR1-CreER; Rpl22 dataset, we isolate a number of borderzone macrophage-specific transcripts, including the gene PF4. Using a PF4-Cre mouse line, we show that PF4 expression robustly marks borderzone macrophages. Together, we demonstrate two new methods to genetically target distinct CNS macrophage subtypes.

Microglia diversity emerges from interactions between intrinsic genetic programs and environment-derived signals, but how these processes unfold and interact in the developing brain remains unclear. Here, we show that radial glia-expressed integrin beta 8 (ITGB8) expressed in radial glia progenitors activates microglia-expressed TGFb1, permitting microglial development. Domain-restricted deletion of Itgb8 in these progenitors establishes complementary regions with developmentally arrested dysmature microglia that persist into adulthood. In the absence of autocrine TGFb1 signaling, we find that microglia adopt a similar dysmature phenotype, leading to neuromotor symptoms almost identical to Itgb8 mutant mice. In contrast, microglia lacking the TGFb signal transducers Smad2 and Smad3 have a less polarized dysmature phenotype and correspondingly less severe neuromotor dysfunction. Finally, we show that non-canonical (Smad-independent) signaling partially suppresses disease and development associated gene expression, providing compelling evidence for the adoption of microglial developmental signaling pathways in the context of injury or disease.