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.

Mood disorders are an enigmatic class of debilitating illnesses that affect millions of individuals worldwide. While chronic stress clearly increases incidence levels of mood disorders, including major depressive disorder (MDD), stress-mediated disruptions in brain function that precipitate these illnesses remain largely elusive. Serotonin-associated antidepressants (ADs) remain the first line of therapy for many with depressive symptoms, yet low remission rates and delays between treatment and symptomatic alleviation have prompted skepticism regarding direct roles for serotonin in the precipitation and treatment of affective disorders. Our group recently demonstrated that serotonin epigenetically modifies histone proteins (H3K4me3Q5ser) to regulate transcriptional permissiveness in brain. However, this non-canonical phenomenon has not yet been explored following stress and/or AD exposures. Here, we employed a combination of genome-wide and biochemical analyses in dorsal raphe nucleus (DRN) of male and female mice exposed to chronic social defeat stress, as well as in DRN of human MDD patients, to examine the impact of stress exposures/MDD diagnosis on H3K4me3Q5ser dynamics, as well as associations between the mark and depression-related gene expression. We additionally assessed stress-induced/MDD-associated regulation of H3K4me3Q5ser following AD exposures, and employed viral-mediated gene therapy in mice to reduce H3K4me3Q5ser levels in DRN and examine its impact on stress-associated gene expression and behavior. We found that H3K4me3Q5ser plays important roles in stress-mediated transcriptional plasticity. Chronically stressed mice displayed dysregulated H3K4me3Q5ser dynamics in DRN, with both AD- and viral-mediated disruption of these dynamics proving sufficient to attenuate stress-mediated gene expression and behavior. Corresponding patterns of H3K4me3Q5ser regulation were observed in MDD subjects on vs. off ADs at their time of death. These findings thus establish a neurotransmission-independent role for serotonin in stress-/AD-associated transcriptional and behavioral plasticity, observations of which may be of clinical relevance to human MDD and its treatment.

Background: Major depressive disorder (MDD), along with related mood disorders, is a debilitating illness that affects millions of individuals worldwide. While chronic stress increases incidence levels of mood disorders, stress-mediated disruptions in brain function that precipitate these illnesses remain elusive. Serotonin-associated antidepressants (ADs) remain the first line of therapy for many with depressive symptoms, yet low remission rates and delays between treatment and symptomatic alleviation have prompted skepticism regarding precise roles for serotonin in the precipitation of mood disorders. Our group recently demonstrated that serotonin epigenetically modifies histone proteins (H3K4me3Q5ser) to regulate transcriptional permissiveness in brain. However, this phenomenon has not yet been explored following stress and/or AD exposures. Methods: We employed a combination of genome-wide and biochemical analyses in dorsal raphe nucleus (DRN) of male and female mice exposed to chronic social defeat stress to examine the impact of stress exposures on H3K4me3Q5ser dynamics, as well as associations between the mark and stress-induced gene expression. We additionally assessed stress-induced regulation of H3K4me3Q5ser following AD exposures, and employed viral-mediated gene therapy to reduce H3K4me3Q5ser levels in DRN and examine the impact on stress-associated gene expression and behavior. Results: We found that H3K4me3Q5ser plays important roles in stress-mediated transcriptional plasticity. Chronically stressed mice displayed dysregulated H3K4me3Q5ser dynamics in DRN, with both AD- and viral-mediated disruption of these dynamics proving sufficient to rescue stress-mediated gene expression and behavior. Conclusions: These findings establish a neurotransmission-independent role for serotonin in stress-/AD-associated transcriptional and behavioral plasticity in DRN.

Abstract 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.