Suicides have increased to over 48,000 deaths yearly in the United States. Major depressive disorder (MDD) is the most common diagnosis among suicides, and identifying those at the highest risk for suicide is a pressing challenge. The objective of this study is to identify changes in gene expression associated with suicide in brain and blood for the development of biomarkers for suicide. Blood and brain were available for 45 subjects (53 blood samples and 69 dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) samples in total). Samples were collected from MDD patients who died by suicide (MDD-S), MDDs who died by other means (MDD-NS) and non-psychiatric controls. We analyzed gene expression using RNA and the NanoString platform. In blood, we identified 14 genes which significantly differentiated MDD-S versus MDD-NS. The top six genes differentially expressed in blood were: PER3, MTPAP, SLC25A26, CD19, SOX9, and GAR1. Additionally, four genes showed significant changes in brain and blood between MDD-S and MDD-NS; SOX9 was decreased and PER3 was increased in MDD-S in both tissues, while CD19 and TERF1 were increased in blood but decreased in DLPFC. To our knowledge, this is the first study to analyze matched blood and brain samples in a well-defined population of MDDs demonstrating significant differences in gene expression associated with completed suicide. Our results strongly suggest that blood gene expression is highly informative to understand molecular changes in suicide. Developing a suicide biomarker signature in blood could help health care professionals to identify subjects at high risk for suicide.

Stress is a major influence on mental health status; the ways that individuals respond to or copes with stressors determine whether they are negatively affected in the future. Stress responses are established by an interplay between genetics, environment, and life experiences. Psychosocial stress is particularly impactful during adolescence, a critical period for the development of mood disorders. In this study we compared two established, selectively-bred Sprague Dawley rat lines, the "internalizing" bred Low Responder (bLR) line versus the "externalizing" bred High Responder (bHR) line, to investigate how genetic temperament and adolescent environment impact future responses to social interactions and psychosocial stress, and how these determinants of stress response interact. Male bLR and bHR rats were exposed to social and environmental enrichment in adolescence prior to experiencing social defeat and were then assessed for social interaction and anxiety-like behavior. Adolescent enrichment caused rats to display more social interaction, as well as nominally less social avoidance, less submission during defeat, and resilience to the effects of social stress on corticosterone, in a manner that seemed more notable in bLRs. For bHRs, enrichment also caused greater aggression during a neutral social encounter and nominally during defeat, and decreased anxiety-like behavior. To explore the neurobiology underlying the development of social resilience in the anxious phenotype bLRs, RNA-seq was conducted on the hippocampus and nucleus accumbens, two brain regions that mediate stress regulation and social behavior. Gene sets previously associated with stress, social behavior, aggression and exploratory activity were enriched with differential expression in both regions, with a particularly large effect on gene sets that regulate social behaviors. Our findings provide further evidence that adolescent enrichment can serve as an inoculating experience against future stressors. The ability to induce social resilience in a usually anxious line of animals by manipulating their environment has translational implications, as it underscores the feasibility of intervention strategies targeted at genetically vulnerable adolescent populations.

ABSTRACT Evaluating and coping with stressful social events as they unfold is a critical strategy in overcoming them without long-lasting detrimental effects. Individuals display a wide range of responses to stress, which can manifest in a variety of outcomes for the brain as well as subsequent behavior. Chronic Social Defeat Stress (CSDS) in mice has been widely used to model individual variation following a social stressor. Following a course of repeated intermittent psychological and physical stress, mice diverge into separate populations of social reactivity: resilient (socially interactive) and susceptible (socially avoidant) animals. A rich body of work reveals distinct neurobiological and behavioral consequences of this experience that map onto the resilient and susceptible groups. However, the range of factors that emerge over the course of defeat have not been fully described. Therefore, in the current study, we focused on characterizing behavioral, physiological, and neuroendocrine profiles of mice in three separate phases: before, during, and following CSDS. We found that following CSDS, traditional read-outs of anxiety-like and depression-like behaviors do not map on to the resilient and susceptible groups. By contrast, behavioral coping strategies used during the initial social stress encounter better predict which mice will eventually become resilient or susceptible. In particular, mice that will emerge as susceptible display greater escape behavior on Day 1 of social defeat than those that will emerge as resilient, indicating early differences in coping mechanisms used between the two groups. We further show that the social avoidance phenotype in susceptible mice is specific to the aggressor strain and does not generalize to conspecifics or other strains, indicating that there may be features of threat discrimination that are specific to the susceptible mice. Our findings suggest that there are costs and benefits to both the resilient and susceptible outcomes, reflected in their ability to cope and adapt to the social stressor.

ABSTRACT Repeated social stress is a significant factor in triggering depression in vulnerable individuals, and genetic and environmental factors interact to contribute to this vulnerability. Interestingly, the role of experience in shaping vulnerability is not well studied. To what extent does an individual’s initial reaction to a given stressor influence their response to similar stressors in the future? And how is this initial response encoded at the neural level to bias towards future susceptibility or resilience? The Chronic Social Defeat Stress (CSDS) mouse model offers an ideal opportunity to address these questions. Following 10 days of repeated social defeat, mice diverge into two distinct populations of social reactivity: resilient (interactive) and susceptible (avoidant). It is notable that the CSDS paradigm traditionally uses genetically inbred mice, indicating that this divergence is not genetically determined. Furthermore, the emergence of the two phenotypes only occurs following several days of exposure to stress, suggesting that the repeated experience of social defeat influences future susceptibility or resilience. In this study, we asked whether specific patterns of neural activation during the initial exposure to the social defeat stress can predict whether an individual will eventually emerge as resilient or susceptible. To address this question, we used Fos-TRAP2 mouse technology to capture brain-wide neural activation patterns elicited during the initial stress exposure, while allowing the mice to go on to experience the full course of CSDS and diverge into resilient and susceptible populations. Using a high-throughput brain-wide cell counting approach, we identified the bed nucleus of the stria terminalis and lateral septal nucleus as key hubs for encoding social defeat. We also identified the basomedial amygdala as a hub for encoding future susceptibility, and the hippocampal CA1 area and medial habenula for encoding future resilience. Our findings demonstrate that the initial experience with social stress induces a distinct brain-wide pattern of neural activation associated with defeat, as well as unique activation patterns that appear to set the stage for future resilience or susceptibility. This highly orchestrated response to defeat is seen especially in animals that emerge as resilient compared to susceptible. Overall, our work represents a critical starting place for elucidating mechanisms whereby early experiences can shape vulnerability to affective disorders.

The survival of an organism is dependent on their ability to respond to cues in the environment. Such cues can attain control over behavior as a function of the value ascribed to them. Some individuals have an inherent tendency to attribute reward-paired cues with incentive motivational value, or incentive salience. For these individuals, termed sign-trackers, a discrete cue that precedes reward delivery becomes attractive and desirable in its own right. Prior work suggests that the behavior of sign-trackers is dopamine-dependent, and cue-elicited dopamine in the nucleus accumbens is believed to encode the incentive value of reward cues. Here we exploited the temporal resolution of optogenetics to determine whether selective inhibition of ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons during cue presentation attenuates the propensity to sign-track. Using male tyrosine hydroxylase (TH)-Cre Long Evans rats it was found that, under baseline conditions, ∼84% of TH-Cre rats tend to sign-track. Laser-induced inhibition of VTA dopamine neurons during cue presentation prevented the development of sign-tracking behavior, without affecting goal-tracking behavior. When laser inhibition was terminated, these same rats developed a sign-tracking response. Video analysis using DeepLabCut revealed that, relative to rats that received laser inhibition, rats in the control group spent more time near the location of the reward cue even when it was not present and were more likely to orient towards and approach the cue during its presentation. These findings demonstrate that cue-elicited dopamine release is critical for the attribution of incentive salience to reward cues.Activity of dopamine neurons in the ventral tegmental area (VTA) during cue presentation is necessary for the development of a sign-tracking, but not a goal-tracking, conditioned response in a Pavlovian task. We capitalized on the temporal precision of optogenetics to pair cue presentation with inhibition of VTA dopamine neurons. A detailed behavioral analysis with DeepLabCut revealed that cue-directed behaviors do not emerge without VTA dopamine. Importantly, however, when optogenetic inhibition is lifted, cue-directed behaviors increase, and a sign-tracking response develops. These findings confirm the necessity of VTA dopamine during cue presentation to encode the incentive value of reward cues.

ABSTRACT The multifactorial etiology of stress-related disorders is a challenge in developing synchronized medical standards for treatment and diagnosis. It is largely unknown whether there exists molecular convergence in preclinical models of stress generated using disparate construct validity. Using RNA-sequencing (RNA-seq), we investigated the genomic signatures in the ventral hippocampus, which mostly regulates affective behavior, in mouse models that recapitulate the hallmarks of anxiety and depression. Chronic oral corticosterone (CORT), a model that causes a blunted endocrine response to stress, induced anxiety- and depression-like behavior in wildtype mice and mice heterozygous for the gene coding for brain-derived neurotrophic factor (BDNF) Val66Met, a variant associated with genetic susceptibility to stress. In a separate set of mice, chronic social defeat stress led to a susceptible or a resilient population, whose proportion was dependent on housing conditions, standard housing or enriched environment. A rank-rank-hypergeometric (RRHO) analysis of the RNA-seq data set across models demonstrated that in mice treated with CORT and susceptible mice raised in standard housing differentially expressed genes (DEGs) converged toward gene networks involved in similar biological functions. Weighted gene co-expression analysis generated 54 unique modules of interconnected gene hubs, two of which included a combination of all experimental groups and were significantly enriched in DEGs, whose function was consistent with that predicted in the RRHO GO analysis. This multimodel approach showed transcriptional synchrony between models of stress with hormonal, environmental or genetic construct validity shedding light on common genomic drivers that embody the multifaceted nature of stress-related disorders.

Transcriptional profiling has become a common tool for investigating the nervous system. During analysis, differential expression results are often compared to functional ontology databases, which contain curated gene sets representing well-studied pathways. This dependence can cause neuroscience studies to be interpreted in terms of functional pathways documented in better studied tissues (e.g.

Abstract Common genetic factors likely contribute to multiple psychiatric diseases including mood and substance use disorders. Certain stable, heritable traits reflecting temperament, termed externalizing or internalizing, play a large role in modulating vulnerability to these disorders. To model these heritable tendencies, we selectively bred rats for high and low exploration in a novel environment (bred High Responders (bHR) vs. Low Responders (bLR)). To identify genes underlying the response to selection, we phenotyped and genotyped 558 rats from an F 2 cross between bHR and bLR. Several behavioral traits show high heritability, including the selection trait: exploratory locomotion (EL) in a novel environment. There were significant phenotypic and genetic correlations between tests that capture facets of EL and anxiety. There were also correlations with Pavlovian conditioned approach (PavCA) behavior despite the lower heritability of that trait. Ten significant and conditionally independent loci for six behavioral traits were identified. Five of the six traits reflect different facets of EL that were captured by three behavioral tests. Distance traveled measures from the open field and the elevated plus maze map onto different loci, thus may represent different aspects of novelty-induced locomotor activity. The sixth behavioral trait, number of fecal boli, is the only anxiety-related trait mapping to a significant locus on chromosome 18 within which the Pik3c3 gene is located. There were no significant loci for PavCA. We identified a missense variant in the Plekhf1 gene on the chromosome 1:95 Mb QTL and Fancf and Gas2 as potential candidate genes that may drive the chromosome 1:107 Mb QTL for EL traits. The identification of a locomotor activity-related QTL on chromosome 7 encompassing the Pkhd1l1 and Trhr genes is consistent with our previous finding of these genes being differentially expressed in the hippocampus of bHR vs. bLR rats. The strong heritability coupled with identification of several loci associated with exploratory locomotion and emotionality provide compelling support for this selectively bred rat model in discovering relatively large effect causal variants tied to elements of internalizing and externalizing behaviors inherent to psychiatric and substance use disorders.

Transcription Factors (TFs) influence gene expression by facilitating or disrupting the formation of transcription initiation machinery at particular genomic loci. Because genomic localization of TFs is in part driven by TF recognition of DNA sequence, variation in TF binding sites can disrupt TF-DNA associations and affect gene regulation. To identify variants that impact TF binding in human brain tissues, we quantified allele bias for 93 TFs analyzed with ChIP-seq experiments of multiple structural brain regions from two donors. Using graph genomes constructed from phased genomic sequence data, we compared ChIP-seq signal between alleles at heterozygous variants within each tissue sample from each donor. Comparison of results from different brain regions within donors and the same regions between donors provided measures of allele bias reproducibility. We identified thousands of DNA variants that show reproducible bias in ChIP-seq for at least one TF. We found that alleles that are rarer in the general population were more likely than common alleles to exhibit large biases, and more frequently led to reduced TF binding. Combining ChIP-seq with RNA-seq, we identified TF-allele interaction biases with RNA bias in a phased allele linked to 6,709 eQTL variants identified in GTEx data, 3,309 of which were found in neural contexts. Our results provide insights into the effects of both common and rare variation on gene regulation in the brain. These findings can facilitate mechanistic understanding of cis-regulatory variation associated with biological traits, including disease.