Summary Microglia are brain resident phagocytes that can engulf synaptic components and extracellular matrix as well as whole neurons. However, whether there are unique molecular mechanisms that regulate these distinct phagocytic states is unknown. Here we define a molecularly distinct microglial subset whose function is to engulf neurons in the developing brain. We transcriptomically identified a cluster of Type I interferon (IFN-I) responsive microglia that expanded 20-fold in the postnatal day 5 somatosensory cortex after partial whisker deprivation, a stressor that accelerates neural circuit remodeling. In situ , IFN-I responsive microglia were highly phagocytic and actively engulfed whole neurons. Conditional deletion of IFN-I signaling ( Ifnar1 fl/fl ) in microglia but not neurons resulted in dysmorphic microglia with stalled phagocytosis and an accumulation of neurons with double strand DNA breaks, a marker of cell stress. Conversely, exogenous IFN-I was sufficient to drive neuronal engulfment by microglia and restrict the accumulation of damaged neurons. IFN-I deficient mice had excess excitatory neurons in the developing somatosensory cortex as well as tactile hypersensitivity to whisker stimulation. These data define a molecular mechanism through which microglia engulf neurons during a critical window of brain development. More broadly, they reveal key homeostatic roles of a canonical antiviral signaling pathway in brain development.

SUMMARY Following acute retinal damage, zebrafish possess the ability to regenerate all neuronal subtypes. This regeneration requires Müller glia (MG) to reprogram and divide asymmetrically to produce a multipotent Müller glia-derived neuronal progenitor cell (MGPC). This raises three key questions. First, does loss of different retinal cell subtypes induce unique MG regeneration responses? Second, do MG reprogram to a developmental retinal progenitor cell state? And finally, to what extent does regeneration recapitulate retinal development? We examined these questions by performing single-nuclear and single-cell RNA-Seq and ATAC-Seq in both developing and regenerating retinas. While MG reprogram to a state similar to late-stage retinal progenitors in developing retinas, there are transcriptional differences between reprogrammed MG/MGPCs and late progenitors, as well as reprogrammed MG in outer and inner retinal damage models. Validation of candidate genes confirmed that loss of different subtypes induces differences in transcription factor gene expression and regeneration outcomes. This work identifies major differences between gene regulatory networks activated following the selective loss of different subtypes of retina neurons, as well as between retinal regeneration and development.

Brain injury activates complex inflammatory signals in dying neurons, surviving neurons, and glia. Here, we establish that inflammation regulates the regeneration of photoreceptors in the zebrafish retina and determine the cellular expression and function of the inflammatory protease, matrix metalloproteinase 9 (Mmp-9), during this regenerative neurogenesis. Animals of either sex were used in this study. Following photoreceptor ablation, anti-inflammatory treatment suppresses the number of injury-induced progenitors and regenerated photoreceptors. Upon photoreceptor injury, mmp-9 is induced in Müller glia, the intrinsic retinal stem cell, and Müller glia-derived photoreceptor progenitors. Deleting mmp-9 results in over production of injury-induced progenitors and regenerated photoreceptors, but over time the absence of Mmp-9 compromises the maturation and survival of the regenerated cones. Anti-inflammatory treatment in mutants rescues the defects in cone maturation and survival. These data provide a link between injury-induced inflammation in the vertebrate CNS, Mmp-9 function during photoreceptor regeneration and the requirement of Mmp-9 for the survival of regenerated cones.Significance Statement The innate immune system is activated by neuronal death, and recent studies demonstrate that in zebrafish neuroinflammation is required for neuronal regeneration. The roles of inflammatory cytokines are being investigated, however, the function of the inflammatory protease, matrix metalloprotease Mmp-9, in neuronal regeneration is unknown. We show herein that in adult zebrafish retinal inflammation governs the proliferative phase of the stem cell-based regeneration of rod and cone photoreceptors and determine the specific roles for Mmp-9 in photoreceptor regeneration. This study provides the first mechanistic insights into the potential role of Mmp-9 in retinal regeneration and serves to link neuroinflammation, stem cell-based regeneration of photoreceptors and human photoreceptor disease.

Summary Microglia are brain resident macrophages that play vital roles in central nervous system (CNS) development, homeostasis, and pathology. Microglia both remodel synapses and engulf apoptotic cell corpses during development, but whether unique molecular programs regulate these distinct phagocytic functions is unknown. Here we identify a molecularly distinct synapse-associated microglial subset in the zebrafish ( Danio rerio ). We found that ramified microglia populated synapse-rich regions of the midbrain and hindbrain between 7 and 28 days post fertilization. In contrast, microglia in the optic tectum were ameboid and clustered around neurogenic zones. Using single-cell mRNA sequencing combined with metadata from regional bulk sequencing, we identified synapse-associated microglia (SAMs) that were highly enriched in the hindbrain, expressed known synapse modulating genes as well as novel candidates, and engulfed synaptic proteins. In contrast, neurogenic-associated microglia (NAMs) were enriched in optic tectum, had active cathepsin activity, and preferentially engulfed neuronal corpses. These data yielded a functionally annotated atlas of zebrafish microglia ( https://www.annamolofskylab.org/microglia-sequencing ). Furthermore, they reveal that molecularly distinct phagocytic programs mediate synaptic remodeling and cell engulfment, and establish zebrafish hindbrain as a model circuit for investigating microglial-synapse interactions.