ABSTRACT Genome-wide association studies (GWAS) of serum metabolites have the potential to uncover genes that influence human metabolism. Here, we combined an integrative genetic analysis associating serum metabolites to membrane transporters with a coessentiality map of metabolic genes. This analysis revealed a connection between feline leukemia virus subgroup C cellular receptor 1 (FLVCR1) - a plasma membrane protein - and phosphocholine, a downstream metabolite of choline metabolism. Loss of FLVCR1 in human cells and in mice strongly impairs choline metabolism due to a block in choline import. Consistently, CRISPR-based genetic screens identified several components of the membrane phospholipid machinery as synthetic lethal with FLVCR1 loss. Finally, cells lacking FLVCR1 exhibit mitochondrial defects and upregulate the integrated stress response (ISR) through heme regulated inhibitors kinase (HRI). Altogether, these findings identify FLVCR1 as a universal mediator of choline transport in mammals and provide a platform to discover substrates for unknown metabolite transporters.

Phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine, the two most abundant phospholipids in mammalian cells, are synthesized de novo by the Kennedy pathway from choline and ethanolamine, respectively. Despite the importance of these lipids, the mechanisms that enable the cellular uptake of choline and ethanolamine remain unknown. Here, we show that FLVCR1, whose mutation leads to the neurodegenerative syndrome PCARP, transports extracellular choline and ethanolamine into cells for phosphorylation by downstream kinases to initiate the Kennedy pathway. Structures of FLVCR1 in the presence of choline and ethanolamine reveal that both metabolites bind to a common binding site comprised of aromatic and polar residues. Despite binding to a common site, the larger quaternary amine of choline interacts differently with FLVCR1 than does the primary amine of ethanolamine. Structure-guided mutagenesis identified residues that are critical for the transport of ethanolamine, while being dispensable for choline transport, enabling functional separation of the entry points into the two branches of the Kennedy pathway. Altogether, these studies reveal how FLCVR1 is a high-affinity metabolite transporter that serves as the common origin for phospholipid biosynthesis by two branches of the Kennedy pathway.

Class A G protein-coupled receptors (GPCRs), a superfamily of cell membrane signaling receptors, moonlight as constitutively active phospholipid scramblases. The plasma membrane of metazoan cells is replete with GPCRs, yet has a strong resting trans-bilayer phospholipid asymmetry, with the signaling lipid phosphatidylserine confined to the cytoplasmic leaflet. To account for the persistence of this lipid asymmetry in the presence of GPCR scramblases, we hypothesized that GPCR-mediated lipid scrambling is regulated by cholesterol, a major constituent of the plasma membrane. We now present a technique whereby synthetic vesicles reconstituted with GPCRs can be supplemented with cholesterol to a level similar to that of the plasma membrane and show that the scramblase activity of two prototypical GPCRs, opsin and the β1-adrenergic receptor, is impaired upon cholesterol loading. Our data suggest that cholesterol acts as a switch, inhibiting scrambling above a receptor-specific threshold concentration to disable GPCR scramblases at the plasma membrane.