ABSTRACT A hallmark of addiction is the ability of drugs of abuse to trigger relapse after periods of prolonged abstinence. Here, we describe a novel epigenetic mechanism whereby chronic cocaine exposure causes lasting chromatin and downstream transcriptional modifications in the nucleus accumbens (NAc), a critical brain region controlling motivation. We link prolonged withdrawal from cocaine to the depletion of the histone variant H2A.Z, coupled to increased genome accessibility and latent priming of gene transcription, in D1 dopamine receptor-expressing medium spiny neurons (D1 MSNs) that relates to aberrant gene expression upon drug relapse. The histone chaperone ANP32E removes H2A.Z from chromatin, and we demonstrate that D1 MSN-selective Anp32e knockdown prevents cocaine-induced H2A.Z depletion and blocks cocaine’s rewarding actions. By contrast, very different effects of cocaine exposure, withdrawal, and relapse were found for D2-MSNs. These findings establish histone variant exchange as an important mechanism and clinical target engaged by drugs of abuse to corrupt brain function and behavior.

Histone post-translational modifications are critical for mediating persistent alterations in gene expression. By combining unbiased proteomics profiling and genome-wide approaches, we uncovered a role for mono-methylation of lysine 27 at histone H3 (H3K27me1) in the enduring effects of stress. Specifically, mice susceptible to early life stress (ELS) or chronic social defeat stress (CSDS) displayed increased H3K27me1 enrichment in the nucleus accumbens (NAc), a key brain-reward region. Stress-induced H3K27me1 accumulation occurred at genes that control neuronal excitability and was mediated by the VEFS domain of SUZ12, a core subunit of the polycomb repressive complex-2, which controls H3K27 methylation patterns. Viral VEFS expression changed the transcriptional profile of the NAc, led to social, emotional, and cognitive abnormalities, and altered excitability and synaptic transmission of NAc D1-medium spiny neurons. Together, we describe a novel function of H3K27me1 in the brain and demonstrate its role as a "chromatin scar" that mediates lifelong stress susceptibility.

Abstract Women suffer from depression at twice the rate of men, but the underlying molecular mechanisms are poorly understood. Here, we identify dramatic baseline sex differences in expression of long noncoding RNAs (lncRNAs) in human postmortem brain tissue that are profoundly lost in depression. One such lncRNA, RP11-298D21.1 (which we termed FEDORA), is enriched in oligodendrocytes and neurons and upregulated in several cortical regions of depressed females but not males. We found that virally-expressing FEDORA selectively either in neurons or in oligodendrocytes of prefrontal cortex promoted depression-like behavioral abnormalities in female mice only, changes associated with cell-type-specific regulation of synaptic properties, myelin thickness, and gene expression. We also found that blood FEDORA levels have diagnostic significance for depressed women. These findings demonstrate the important role played by lncRNAs, and FEDORA in particular, in shaping the sex-specific landscape of the brain and contributing to sex differences in depression.

Substance use disorders (SUDs) induce widespread molecular dysregulation in the nucleus accumbens (NAc), a brain region pivotal for coordinating motivation and reward. These molecular changes are thought to support lasting neural and behavioral disturbances that promote drug-seeking in addiction. However, different drug classes exert unique influences on neural circuits, cell types, physiology, and gene expression despite the overlapping symptomatology of SUDs. To better understand common and divergent molecular mechanisms governing SUD pathology, our goal was to survey cell-type-specific restructuring of the NAc transcriptional landscape in after psychostimulant or opioid exposure. We combined fluorescence-activated nuclei sorting and RNA sequencing to profile NAc D1 and D2 medium spiny neurons (MSNs) across cocaine and morphine exposure paradigms, including initial exposure, prolonged withdrawal after repeated exposure, and re-exposure post-withdrawal. Our analyses reveal that D1 MSNs display many convergent transcriptional responses across drug classes during exposure, whereas D2 MSNs manifest mostly divergent responses between cocaine and morphine, with morphine causing more adaptations in this cell type. Utilizing multiscale embedded gene co-expression network analysis (MEGENA), we discerned transcriptional regulatory networks subserving biological functions shared between cocaine and morphine. We observed largely integrative engagement of overlapping gene networks across drug classes in D1 MSNs, but opposite regulation of key D2 networks, highlighting potential therapeutic gene network targets within MSNs. These studies establish a landmark, cell-type-specific atlas of transcriptional regulation induced by cocaine and by morphine that can serve as a foundation for future studies towards mechanistic understanding of SUDs. Our findings, and future work leveraging this dataset, will pave the way for the development of targeted therapeutic interventions, addressing the urgent need for more effective treatments for cocaine use disorder and enhancing the existing strategies for opioid use disorder.

Drug addiction is a multifactorial syndrome in which genetic predispositions and exposure to environmental stressors constitute major risk factors for the early onset, escalation, and relapse of addictive behaviors. While it is well known that stress plays a key role in drug addiction, the genetic factors that make certain individuals particularly sensitive to stress and thereby more vulnerable to becoming addicted are unknown. In an effort to test a complex set of gene x environment interactions-specifically gene x chronic stress -here we leveraged a systems genetics resource: BXD recombinant inbred mice (BXD5, BXD8, BXD14, BXD22, BXD29, and BXD32) and their parental mouse lines, C57BL/6J and DBA/2J. Utilizing the chronic social defeat stress (CSDS) and chronic variable stress (CVS) paradigms, we first showed sexual dimorphism in the behavioral stress response between the mouse strains. Further, we observed an interaction between genetic background and vulnerability to prolonged exposure to non-social stressors. Finally, we found that DBA/2J and C57BL/6J mice pre-exposed to stress displayed differences in morphine sensitivity. Our results support the hypothesis that genetic variation in predisposition to stress responses influences morphine sensitivity and is likely to modulate the development of drug addiction.

Abstract Substance use disorder is characterized by a maladaptive imbalance wherein drug seeking persists despite negative consequences or drug unavailability. This imbalance correlates with neurobiological alterations some of which are amplified during forced abstinence, thereby compromising the capacity of extinction-based approaches to prevent relapse. Cocaine use disorder (CUD) exemplifies this phenomenon in which neurobiological modifications hijack brain reward regions such as the nucleus accumbens (NAc) to manifest craving and withdrawal-like symptoms. While increasing evidence links transcriptional changes in the NAc to specific phases of addiction, genome-wide changes in gene expression during withdrawal vs. extinction (WD/Ext) have not been examined in a context- and NAc-subregion-specific manner. Here, we used cocaine self-administration (SA) in rats combined with RNA-sequencing (RNA-seq) of NAc subregions (core and shell) to transcriptionally profile the impact of experiencing withdrawal in the home cage or in the previous drug context or experiencing extinction training. As expected, home-cage withdrawal maintained drug seeking in the previous drug context, whereas extinction training reduced it. By contrast, withdrawal involving repetitive exposure to the previous drug context increased drug-seeking behavior. Bioinformatic analyses of RNA-seq data revealed gene expression patterns, networks, motifs, and biological functions specific to these behavioral conditions and NAc subregions. Comparing transcriptomic analysis of the NAc of patients with CUD highlighted conserved gene signatures, especially with rats that were repetitively exposed to the previous drug context. Collectively, these behavioral and transcriptional correlates of several withdrawal-extinction settings reveal fundamental and translational information about potential molecular mechanisms to attenuate drug-associated memories.

Abstract Opioid use disorder (OUD) looms as one of the most severe medical crises currently facing society. More effective therapeutics for OUD requires in-depth understanding of molecular changes supporting drug-taking and relapse. Recent efforts have helped advance these aims, but studies have been limited in number and scope. Here, we develop a brain reward circuit-wide atlas of opioid-induced transcriptional regulation by combining RNA sequencing (RNAseq) and heroin self-administration in male mice modeling multiple OUD-relevant conditions: acute heroin exposure, chronic heroin intake, context-induced drug-seeking following prolonged abstinence, and heroin-primed drug-seeking (i.e., “relapse”). Bioinformatics analysis of this rich dataset identified numerous patterns of molecular changes, transcriptional regulation, brain-region-specific involvement in various aspects of OUD, and both region-specific and pan-circuit biological domains affected by heroin. Integrating RNAseq data with behavioral outcomes using factor analysis to generate an “addiction index” uncovered novel roles for particular brain regions in promoting addiction-relevant behavior, and implicated multi-regional changes in affected genes and biological processes. Comparisons with RNAseq and genome-wide association studies from humans with OUD reveal convergent molecular regulation that are implicated in drug-taking and relapse, and point to novel gene candidates with high therapeutic potential for OUD. These results outline broad molecular reprogramming that may directly promote the development and maintenance of OUD, and provide a foundational resource to the field for future research into OUD mechanisms and treatment strategies.

Adolescence is a sensitive window for reward- and stress-associated behavior. Although stress during this period causes long-term changes in behavior in males, how females respond is relatively unknown. Here we show that social isolation stress in adolescence, but not adulthood, induces persistent but opposite effects on anxiety- and cocaine-related behaviors in male vs. female mice, and that these effects are reflected in transcriptional profiles within the adult medial amygdala (meA). By integrating differential gene expression with co-expression network analyses, we identified crystallin mu (Crym), a thyroid-binding protein, as a key driver of these transcriptional profiles. Manipulation of Crym specifically within adult meA neurons recapitulates the behavioral and transcriptional effects of social isolation and re-opens a window of plasticity that is otherwise closed. Our results establish that meA is essential for sex-specific responses to stressful and rewarding stimuli through transcriptional programming that occurs during adolescence.

DNA cytosine methylation has been documented as a potential epigenetic mechanism of transcriptional regulation underling opioid use disorder. However, methylation of RNA cytosine residues, which would drive another level of biological influence as an epitranscriptomic mechanism of gene and protein regulation has not been studied. Here, we probed whether chronic morphine exposure could alter tRNA cytosine methylation (m5C) and resulting expression levels in the medial prefrontal cortex (mPFC), a brain region crucial for reward processing and executive function that exhibits opioid-induced molecular restructuring. We identified dynamic changes in glycine tRNA (tRNAGlyGCC) cytosine methylation, corresponding to altered expression levels of this tRNA at multiple timepoints following 15 days of daily morphine. Strikingly, a robust increase in methylation, coupled with decreased expression, was present after 30 days of withdrawal, suggesting that repeated opioid administration produces changes to the tRNA regulome long after discontinuation. Furthermore, forebrain-wide knockout of neuronal Nsun2, a tRNA methyltransferase, was associated with disruption of reward-seeking in the conditioned place preference paradigm, and this effect was recapitulated by regional mPFC Nsun2 knockout. Taken together, these studies provide a foundational link between the regulation of tRNA cytosine methylation and OUD and highlight the tRNA machinery as a potential therapeutic target in addiction.

Abstract Major depressive disorder (MDD) is linked to impaired structural and synaptic plasticity in limbic brain regions. Astrocytes, which regulate synapses and are influenced by chronic stress, likely contribute to these changes. We analyzed astrocyte gene profiles in the nucleus accumbens (NAc) of humans with MDD and mice exposed to chronic stress. Htra1 , which encodes an astrocyte-secreted protease targeting the extracellular matrix (ECM), was significantly downregulated in the NAc of males but upregulated in females in both species. Manipulating Htra1 in mouse NAc astrocytes bidirectionally controlled stress susceptibility in a sex-specific manner. Such Htra1 manipulations also altered neuronal signaling and ECM structural integrity in NAc. These findings highlight astroglia and the brain’s ECM as key mediators of sex-specific stress vulnerability, offering new approaches for MDD therapies.