Histone monoaminylation (

Summary Hyperexcitability in the orbitofrontal cortex (OFC) is a key clinical feature of anhedonic domains of Major Depressive Disorder (MDD). However, the cellular and molecular substrates underlying this dysfunction remain unknown. Here, cell-population-specific chromatin accessibility profiling in human OFC unexpectedly mapped genetic risk for MDD exclusively to non-neuronal cells, and transcriptomic analyses revealed significant glial dysregulation in this region. Characterization of MDD-specific cis-regulatory elements identified ZBTB7A – a transcriptional regulator of astrocyte reactivity – as an important mediator of MDD-specific chromatin accessibility and gene expression. Genetic manipulations in mouse OFC demonstrated that astrocytic Zbtb7a is both necessary and sufficient to promote behavioral deficits, cell-type-specific transcriptional and chromatin profiles, and OFC neuronal hyperexcitability induced by chronic stress – a major risk factor for MDD. These data thus highlight a critical role for OFC astrocytes in stress vulnerability and pinpoint ZBTB7A as a key dysregulated factor in MDD that mediates maladaptive astrocytic functions driving OFC hyperexcitability.

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.

Histone monoaminylation ( i . e ., serotonylation and dopaminylation) is an emerging category of epigenetic mark occurring on the fifth glutamine (Q5) residue of H3 N-terminal tail, which plays significant roles in gene transcription. Current analysis of histone monoaminylation is mainly based on site-specific antibodies and mass spectrometry, which either lacks high resolution or is time-consuming. In this study, we report the development of chemical probes for bioorthogonal labeling and enrichment of histone serotonylation and dopaminylation. These probes were successfully applied for the monoaminylation analysis of in vitro biochemical assays, cells, and tissue samples. The enrichment of monoaminylated histones by the probes further confirmed the crosstalk between H3Q5 monoaminylation and H3K4 methylation. Finally, combining the ex vivo and in vitro analyses based on the developed probes, we have shown that both histone serotonylation and dopaminylation are highly enriched in tumor tissues that overexpress transglutaminase 2 (TGM2) and regulate the three-dimensional architecture of cellular chromatin.

ABSTRACT Histone H3 monoaminylations at glutamine(Q) 5 represent an important family of epigenetic markers in neurons that play critical roles in the mediation of permissive gene expression (1, 2). We previously demonstrated that H3Q5 serotonylation(ser) and dopaminylation(dop) are catalyzed by the Transglutaminase 2 (TGM2) enzyme and alter both local and global chromatin states (3, 4). Here, we found that TGM2 additionally functions as an “eraser” of H3 monoaminylations that is capable of “re-writing” these epigenetic marks in cells, including a new class of this modification, H3Q5 histaminylation(his), which displays dynamic diurnal expression in brain and contributes to neural rhythmicity. We found that H3Q5his inhibits binding of the MLL1 complex to the H3 N-terminus and attenuates its methyltransferase activity on H3 lysine(K) 4. We determined that H3Q5 monoaminylation dynamics are dictated by local monoamine concentrations, which are utilized by TGM2. Taken together, we present here a novel mechanism through which a single chromatin regulatory enzyme is capable of sensing chemical microenvironments to affect the epigenetic states of cells. One sentence summary A single enzyme, TGM2, bidirectionally controls H3 monoaminylation dynamics, which, in turn, facilitate neural rhythmicity.

Brain development requires appropriate regulation of serotonin (5-HT) signaling from distinct tissue sources across embryogenesis. At the maternal-fetal interface, the placenta is thought to be an important contributor of offspring brain 5-HT and is critical to overall fetal health. Yet, how placental 5-HT is acquired, and the mechanisms through which 5-HT influences placental functions, are not well understood. Recently, our group identified a novel epigenetic role for 5-HT, in which 5-HT can be added to histone proteins to regulate transcription, a process called H3 serotonylation. Here, we show that H3 serotonylation undergoes dynamic regulation during placental development, corresponding to gene expression changes that are known to influence key metabolic processes. Using transgenic mice, we demonstrate that placental H3 serotonylation largely depends on 5-HT uptake by the serotonin transporter (SERT/SLC6A4). SERT deletion robustly reduces enrichment of H3 serotonylation across the placental genome, and disrupts neurodevelopmental gene networks in early embryonic brain tissues. Thus, these findings suggest a novel role for H3 serotonylation in coordinating placental transcription at the intersection of maternal physiology and offspring brain development.

Neuronal activity drives global alterations in gene expression within neurons, yet how it directs transcriptional and epigenomic changes in neighboring astrocytes in functioning circuits is unknown. Here we show that neuronal activity induces widespread transcriptional upregulation and downregulation in astrocytes, highlighted by the identification of a neuromodulator transporter Slc22a3 as an activity-inducible astrocyte gene regulating sensory processing in the olfactory bulb. Loss of astrocytic Slc22a3 reduces serotonin levels in astrocytes, leading to alterations in histone serotonylation. Inhibition of histone serotonylation in astrocytes reduces expression of GABA biosynthetic genes and GABA release, culminating in olfactory deficits. Our study reveals that neuronal activity orchestrates transcriptional and epigenomic responses in astrocytes, while illustrating new mechanisms for how astrocytes process neuromodulatory input to gate neurotransmitter release for sensory processing.

Severe stress can produce multiple persistent changes in defensive behavior. While much is known about the circuits supporting stress-induced associative fear responses, how circuit plasticity supports the broader changes in defensive behavior observed after severe stress remains unclear. Here, we find that stress-induced plasticity in the ventral hippocampus (vHC) and basolateral amygdala (BLA) support doubly dissociable defensive behavioral changes. Stress-induced protein synthesis in the BLA was found to support lasting enhancements in stress sensitivity but not enhancements in exploratory anxiety-related behaviors, whereas protein synthesis in the vHC was found to support enhancements in anxiety-related behavior but not enhancements in stress sensitivity. Like protein synthesis, neuronal activity of the BLA and vHC were found to differentially support the expression of these same defensive behaviors. Lastly, blockade of associative fear had no impact on stress-induced changes in anxiety-related behavior. These findings highlight that multiple memory-systems support stress-induced defensive behavior changes.

Recent advances in protein engineering have provided a wealth of methods that allow for the site-specific manipulation of proteins in vitro and in cells. However, the efforts to expand these toolkits for use in live animals has been limited. Here, we report a new method for the semi-synthesis of site-specifically modified and chemically defined proteins in live animals. Importantly, we illustrate the usefulness of this methodology in the context of a challenging, chromatin bound N-terminal histone tail within rodent postmitotic neurons located in ventral striatum (Nucleus Accumbens/NAc). This approach provides the field with a precise and broadly applicable methodology for manipulating histones in vivo, thereby serving as a unique template towards examining chromatin phenomena that may mediate transcriptomic and physiological plasticity within mammals.

Stress resilience involves numerous brain-wide transcriptional changes. Determining the organization and orchestration of these transcriptional events may reveal novel antidepressant targets, but this remains unexplored. Here, we characterize the resilient transcriptome with co-expression analysis and identify a single transcriptionally-active uniquely-resilient gene network. Zfp189, a previously unstudied zinc finger protein, is the top network key driver and its overexpression in prefrontal cortical (PFC) neurons preferentially activates this network, alters neuronal activity and promotes behavioral resilience. CREB, which binds Zfp189, is the top upstream regulator of this network. To probe CREB-Zfp189 interactions as a network regulatory mechanism, we employ CRISPR-mediated locus-specific transcriptional reprogramming to direct CREB selectively to the Zfp189 promoter. This single molecular interaction in PFC neurons recapitulates the pro-resilient Zfp189-dependent downstream effects on gene network activity, electrophysiology and behavior. These findings reveal an essential role for Zfp189 and a CREB-Zfp189 regulatory axis in mediating a central transcriptional network of resilience.