Abstract Psychosocial stress has profound effects on the body, including the immune system and the brain 1,2 . Although a large number of pre-clinical and clinical studies have linked peripheral immune system alterations to stress-related disorders such as major depressive disorder (MDD) 3 , the underlying mechanisms are not well understood. Here we show that expression of a circulating myeloid cell-specific proteinase, matrix metalloproteinase 8 (MMP8), is increased in the serum of humans with MDD as well as in stress-susceptible mice following chronic social defeat stress (CSDS). In mice, we show that this increase leads to alterations in extracellular space and neurophysiological changes in the nucleus accumbens (NAc), as well as altered social behaviour. Using a combination of mass cytometry and single-cell RNA sequencing, we performed high-dimensional phenotyping of immune cells in circulation and in the brain and demonstrate that peripheral monocytes are strongly affected by stress. In stress-susceptible mice, both circulating monocytes and monocytes that traffic to the brain showed increased Mmp8 expression following chronic social defeat stress. We further demonstrate that circulating MMP8 directly infiltrates the NAc parenchyma and controls the ultrastructure of the extracellular space. Depleting MMP8 prevented stress-induced social avoidance behaviour and alterations in NAc neurophysiology and extracellular space. Collectively, these data establish a mechanism by which peripheral immune factors can affect central nervous system function and behaviour in the context of stress. Targeting specific peripheral immune cell-derived matrix metalloproteinases could constitute novel therapeutic targets for stress-related neuropsychiatric disorders.

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.

ABSTRACT Adolescence is a period of increased vulnerability to psychiatric disorders including depression. Discovering novel biomarkers to identify individuals who are at high risk is very much needed. Our previous work shows that the microRNA miR-218 mediates susceptibility to stress and depression in adulthood, by targeting the Netrin-1 guidance cue receptor gene Dcc ( D eleted in c olorectal c ancer ) in the medial prefrontal cortex (mPFC). Here we investigated whether miR-218 regulates Dcc expression in adolescence and could serve as an early predictor of lifetime stress vulnerability. miR-218 expression in the mPFC increases from early adolescence to adulthood and correlates negatively with Dcc levels. In blood, postnatal miR-218 expression parallels changes occurring in the mPFC. Notably, circulating miR-218 levels in adolescence associate with vulnerability to social defeat stress in adulthood, with high levels associated with social avoidance severity. Indeed, downregulation of miR-218 in the mPFC in adolescence promotes resilience to stress in adulthood, indicating that adolescent miR-218 expression may serve both as a marker of risk and as a target for early interventions.

The hippocampus 1-7, as well as dopamine circuits 8-11, coordinate decision-making in anxiety-eliciting situations. Yet, little is known about how dopamine modulates hippocampal representations of emotionally-salient stimuli to inform appropriate resolution of approach versus avoidance conflicts. We here study dopaminoceptive neurons in mouse ventral hippocampus (vHipp), molecularly distinguished by their expression of dopamine D1 or D2 receptors. We show that these neurons are transcriptionally distinct and topographically organized across vHipp subfields and cell types. In the ventral subiculum where they are enriched, both D1 and D2 neurons are recruited during anxiogenic exploration, yet with distinct profiles related to investigation and behavioral selection. In turn, they mediate opposite approach/avoidance responses, and are differentially modulated by dopaminergic transmission in that region. Together, these results suggest that vHipp dopamine dynamics gate exploratory behaviors under contextual uncertainty, implicating dopaminoception in the complex computation engaged in vHipp to govern emotional states.

A majority of humans faced with severe stress maintain normal physiological and behavioral function, a process referred to as resilience. Such stress resilience has been modeled in laboratory animals and, over the past 15 years, has transformed our understanding of stress responses and how to approach the treatment of human stress disorders such as depression, post-traumatic stress disorder (PTSD), and anxiety disorders. Work in rodents has demonstrated that resilience to chronic stress is an active process that involves much more than simply avoiding the deleterious effects of the stress. Rather, resilience is mediated largely by the induction of adaptations that are associated uniquely with resilience. Such mechanisms of natural resilience in rodents are being characterized at the molecular, cellular, and circuit levels, with an increasing number being validated in human investigations. Such discoveries raise the novel possibility that treatments for human stress disorders, in addition to being geared toward reversing the damaging effects of stress, can also be based on inducing mechanisms of natural resilience in individuals who are inherently more susceptible. This review provides a progress report on this evolving field.

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.

Measuring reward anticipation distinct from other aspects of reward value, including costs required to obtain a reward or the intrinsic hedonic value of consuming the reward itself, can be difficult to disentangle. Here, we show that mice trained on a self-paced neuroeconomic foraging task convey reward anticipation via differentially invigorated travel times between uniquely flavored feeding sites separate from willingness to wait, consummatory behaviors, or place preferences measured within the same trial. Following exposure to chronic social defeat stress, we found that only stress-susceptible but not stress-resilient mice revealed deficits in this metric after consuming but not after rejecting a reward on the previous trial, indicating that blunted anticipation in these animals is state-dependent, or punctuated by recent reward receipt. After increasing economic pressure and task demands, locomotion was globally invigorated and, in turn, masked stress-related deficits in reward anticipation. These findings suggest that the ability to detect changes in specific aspects of motivational deficits associated with depression and other stress-related disorders depends on an interaction between the state of an individual and environmental circumstances.

Abstract Motivation Enhancers and promoters are important classes of DNA regulatory elements that control gene expression. Identifying them at the genomic scale is a critical and challenging task in bioinformatics. The most successful method so far is to train machine learning models on known enhancer and promoter sites and predict them at other genomic regions using ChIP-seq and related data. Results We have developed a highly customizable program called DeepRegFinder which automates data processing, model training and genome-wide prediction of enhancers and promoters using convolutional and recurrent neural networks. Our program further classifies the enhancers and promoters into active and poised states to facilitate downstream analysis. Based on mean average precision scores of different classes across multiple cell types, our method significantly outperforms the existing algorithms. Availability https://github.com/shenlab-sinai/DeepRegFinder

ABSTRACT Early-life stress increases sensitivity to subsequent stress, which has been observed among humans, other animals, at the level of cellular activity, and at the level of gene expression. However, the molecular mechanisms underlying such long-lasting sensitivity are poorly understood. We tested the hypothesis that persistent changes in transcription and transcriptional potential were maintained at the level of the epigenome, through changes in chromatin. We used a combination of bottom-up mass spectrometry, viral-mediated epigenome-editing, behavioral quantification, and RNA-sequencing in a mouse model of early-life stress, focusing on the ventral tegmental area (VTA), a brain region critically implicated in motivation, reward learning, stress response, and mood and drug disorders. We find that early-life stress in mice alters histone dynamics in VTA and that a majority of these modifications are associated with an open chromatin state that would predict active, primed, or poised gene expression, including enriched histone-3 lysine-4 methylation and the H3K4 monomethylase Setd7. Mimicking ELS through over-expression of Setd7 and enrichment of H3K4me1 in VTA recapitulates ELS-induced behavioral and transcriptional hypersensitivity to future stress. These findings enrich our understanding of the epigenetic mechanisms linking early-life environmental experiences to long-term alterations in stress reactivity within the brain’s reward circuitry, with implications for understanding and potentially treating mood and anxiety disorders in humans.