Canonical Notch signaling requires the presence of a membrane bound ligand and a corresponding transmembrane Notch receptor. Receptor engagement induces multiple proteolytic cleavage events culminating in the nuclear accumulation of the Notch intracellular domain and its binding to a transcriptional co-factor to mediate gene expression. Notch signaling networks are essential regulators of vascular patterning and angiogenesis, as well as myriad other biological processes. Delta-like 4 (Dll4) encodes the earliest Notch ligand detected in arterial cells, and is enriched in sprouting endothelial tip cells. Dll4 expression has often been inferred by proxy using a lacZ knockin reporter allele. This is problematic, as a single copy of Dll4 is haploinsufficient. Additionally, Notch activity regulates Dll4 transcription, making it unclear whether these reporter lines accurately reflect Dll4 expression. Accordingly, accurately defining Dll4 expression is essential for determining its role in development and disease. To address these limitations, we generated a novel BAC transgenic allele with a nuclear-localized β-galactosidase reporter (Dll4-BAC-nlacZ). Through a comparative analysis, we show the BAC line overcomes previous issues of haploinsufficiency, it recapitulates Dll4 expression in vivo, and allows superior visualization and imaging. As such, this novel Dll4 reporter is an important addition to the growing Notch toolkit.

Abstract Remote secondary injury in the thalamus has been observed following cortical infarct, however the mechanisms are not well understood. We used the distal MCAO stroke model (pdMCAO) to explore the cellular and temporal gliosis response in secondary thalamic injury in mice. At 3 days post-stroke (PSD3), primary infarct was limited to the cortex, with no infarct in the thalamus. However, at 2 weeks after stroke (PSD14), the ipsilateral thalamus demonstrated degenerating and severely damaged neurons. Staining for GFAP (astrogliosis) or IBA-1 (microgliosis) was first apparent in the ipsilateral thalamus by PSD3, and showed a progressive increase through PSD14. The number of activated microglia was increased within the thalamus at PSD14, reflecting proliferation of resident microglia as well as infiltration of peripheral monocytes. Interestingly, astrogliosis within the thalamus was enduring, as it was still evident at two years post-stroke. Furthermore, the astrogliosis at two years (but not at 6 weeks) demonstrated glial scar-like characteristics. Lastly, we demonstrated that post-stroke treatment with an NMDA receptor antagonist (memantine) reduces gliosis in the thalamus at PSD14. These findings highlight the development of lasting secondary injury in the thalamus following cortical stroke and support the value of memantine treatment in the mitigation of this injury.

Abstract Astrocytes play vital roles in blood-brain barrier (BBB) maintenance, yet how they support BBB integrity under normal or pathological conditions remains poorly defined. Recent evidence suggests pH homeostasis is a new cellular mechanism important for BBB integrity. In the current study, we investigated the function of an astrocyte-specific pH regulator, Slc4a4, in BBB maintenance and repair. We show that astrocytic Slc4a4 is required for normal astrocyte morphological complexity and BBB function. Multi-omics analyses identified increased astrocytic secretion of CCL2 coupled with dysregulated arginine-NO metabolism after Slc4a4 deletion. Using a model of ischemic stroke, we found that loss of Slc4a4 exacerbates BBB disruption and reactive gliosis, which were both rescued by pharmacological or genetic inhibition of the NO-CCL2 pathway in vivo. Together, our study identifies the astrocytic Slc4a4-NO-CCL2 axis as a pivotal mechanism controlling BBB integrity and repair, while providing insights for a novel therapeutic approach against BBB-related CNS disorders.

ABSTRACT Brain arteriovenous malformations (bAVMs) are direct connections between arteries and veins that remodel into a complex nidus susceptible to rupture and hemorrhage. Most sporadic bAVMs feature somatic activating mutations within KRAS , and endothelial-specific expression of the constitutively active variant KRAS G12D models sporadic bAVM in mice. By leveraging 3D-based micro-CT imaging, we demonstrate that KRAS G12D -driven bAVMs arise in stereotypical anatomical locations within the murine brain, which coincide with high endogenous Kras expression. We extend these analyses to show that a distinct variant, KRAS G12C , also generates bAVMs in predictable locations. Analysis of 15,000 human patients revealed that, similar to murine models, bAVMs preferentially occur in distinct regions of the adult brain. Furthermore, bAVM location correlates with hemorrhagic frequency. Quantification of 3D imaging revealed that G12D and G12C alter vessel density, tortuosity, and diameter within the mouse brain. Notably, aged G12D mice feature increased lethality, as well as impaired cognition and motor function. Critically, we show that pharmacological blockade of the downstream kinase, MEK, after lesion formation ameliorates KRAS G12D -driven changes in the murine cerebrovasculature and may also impede bAVM progression in human pediatric patients. Collectively, these data show that distinct KRAS variants drive bAVMs in similar patterns and suggest MEK inhibition represents a non-surgical alternative therapy for sporadic bAVM.

Abstract Experimental guidelines have been proposed to improve the rigor and reproducibility of experimental stroke studies in rodents. As brain temperature is a strong determinant of ischemic injury, tight management of brain or body temperature (Tcore) during the experimental protocol is highly recommended. However, little guidance is provided regarding how or for how long temperature support should be provided. We compared a commonly used heat support method (cage on heating pad) with a low-cost custom built warm ambient air cage (WAAC) system. Both heat support systems were evaluated for the middle cerebral artery occlusion (MCAo) model in mice. The WAAC system provided improved temperature control (more normothermic Tcore and less Tcore variation) during the intra-ischemic period (60 min) and post-ischemic period (3 hrs). Neurologic deficit score showed significantly less variance at post-stroke day 1 (PSD1) in WAAC system mice. Mean infarct volume was not statistically different by heat support system, however, standard deviation was 54% lower in the WAAC system group. In summary, we provide a simple low-cost heat support system that provides superior Tcore management in mice during the intra-ischemic and post-ischemic periods, which results in reduced variability of experimental outcomes. Highlights We describe the fabrication of a low-cost mouse cage warming system (warmed ambient air cage; WAAC system) that can be assembled and applied in any stroke laboratory. The WAAC system provides more precise control of post-stroke mouse body temperature compared with traditional heating pad warming system. The more precise control of post-stroke core temperature reduces variability in some experimental measures in more severely injured mice.

Introduction: Moyamoya disease (MMD), characterized by occlusive lesions in the distal internal carotid arteries, is a malignant cause of pediatric stroke. Surgical revascularization is the mainstay treatment, but peri- and postoperative ischemic complications are common. Multiple identified genes account for only a small percentage of cases. Identifying a common pathway of disease pathogenesis would enhance care for MMD patients. Goal and Approach: We used cellular and animal models for a rare cause of MMD-like cerebrovascular disease, heterozygous ACTA2 p.R179 pathogenic variants, to define molecular mechanisms and assess therapeutic strategies. Our prior work showed that smooth muscle cells (SMCs) with ACTA2 p.R179 variants are incompletely differentiated. We hypothesized that these immature phenotypes could be rescued by manipulation of cellular metabolism. We validated our results with cellular models of other pediatric MMD-associated variants: loss-of-function variants in Pcnt (explanted from a mouse model) and a pathogenic variant in RNF213 (generated via Crispr/Cas9 in human iPSCs). Results: Acta2 SMC-R179C/+ SMCs have increased glycolysis and reduced oxidative respiration on Seahorse analyses. Molecular characterization showed that Acta2 SMC-R179C/+ SMCs have reduced mitochondrial mass and decreased complex I activity, which is rescued by nicotinamide riboside (NR) treatment. NR surprisingly also increases SMC differentiation and decreases migration. Acta2 SMC-R179C/+ mice and littermate controls were subjected to carotid artery ligation, and 33% of Acta2 SMC-R179C/+ mice died due to strokes while all control mice survived (Kaplan-Meier p<0.01). Surviving Acta2 SMC-R179C/+ mice have significant cerebrovascular remodeling and persistent occlusive carotid artery lesions. Treatment with NR reduces death (Kaplan-Meier p=0.08) and resolves persistent lesions (p<0.05) in Acta2 SMC-R179C/+ mice after carotid ligation. Pcnt and RNF213 mutant SMCs have a similar phenotype of incomplete differentiation and decreased mitochondrial respiration as ACTA2 p.R179 and are responsive to NR treatment. Conclusions: These data provide evidence for a common and therapeutically targetable pathway in pediatric MMD patients.