For more than 16 years, we have selectively bred rats for either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These bred high-responder (bHR) and bred low-responder (bLR) rats model temperamental extremes, exhibiting large differences in internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance use disorders.We characterized persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation, by meta-analyzing 8 transcriptional profiling datasets (microarray and RNA sequencing) spanning 43 generations of selective breeding (postnatal day 7: n = 22; postnatal day 14: n = 49; postnatal day 21: n = 21; adult: n = 46; all male). We cross-referenced expression differences with exome sequencing within our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype. The results were compared with hippocampal profiling from other bred rat models.Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate multiple candidate genes, including two previously associated with metabolism and mood: Trhr and Ucp2. Results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, centering on Bmp4 and Mki67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including 2 genes within implicated chromosomal regions: C1qa and Mfge8.These candidate genes and functional pathways may direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.

Using a longitudinal approach, we sought to define the interplay between genetic and nongenetic factors in shaping vulnerability or resilience to COVID-19 pandemic stress, as indexed by the emergence of symptoms of depression and/or anxiety. University of Michigan freshmen were characterized at baseline using multiple psychological instruments. Subjects were genotyped, and a polygenic risk score for depression (MDD-PRS) was calculated. Daily physical activity and sleep were captured. Subjects were sampled at multiple time points throughout the freshman year on clinical rating scales, including GAD-7 and PHQ-9 for anxiety and depression, respectively. Two cohorts (2019 to 2021) were compared to a pre-COVID-19 cohort to assess the impact of the pandemic. Across cohorts, 26 to 40% of freshmen developed symptoms of anxiety or depression (N = 331). Depression symptoms significantly increased in the pandemic years and became more chronic, especially in females. Physical activity was reduced, and sleep was increased by the pandemic, and this correlated with the emergence of mood symptoms. While low MDD-PRS predicted lower risk for depression during a typical freshman year, this genetic advantage vanished during the pandemic. Indeed, females with lower genetic risk accounted for the majority of the pandemic-induced rise in depression. We developed a model that explained approximately half of the variance in follow-up depression scores based on psychological trait and state characteristics at baseline and contributed to resilience in genetically vulnerable subjects. We discuss the concept of multiple types of resilience, and the interplay between genetic, sex, and psychological factors in shaping the affective response to different types of stressors.

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 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.

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.

Background For over 16 years, we have selectively bred rats to show either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These “bred High Responder” (bHR) and “bred Low Responder” (bLR) rats serve as a model for temperamental extremes, exhibiting large differences in many internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance abuse disorders.Methods Our study elucidated persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation. We meta-analyzed eight transcriptional profiling datasets (microarray, RNA-Seq) spanning 43 generations of selective breeding (adult: n =46, P7: n =22, P14: n =49, P21: n =21; all male). We cross-referenced these results with exome sequencing performed on our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype.Results Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate two genes with previous associations with metabolism and mood: Thyrotropin releasing hormone receptor and Uncoupling protein 2. Our results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, containing hub genes Bone morphogenetic protein 4 and Marker of proliferation ki-67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including two genes within implicated chromosomal regions: Complement C1q A chain and Milk fat globule-EGF factor 8.Conclusion These candidate genes and functional pathways have the capability to direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.

ABSTRACT Using a longitudinal approach, we sought to define the interplay between genetic and non-genetic factors in shaping vulnerability or resilience to COVID-19 pandemic stress, as indexed by the emergence of symptoms of depression and/or anxiety. University of Michigan freshmen were characterized at baseline using multiple psychological instruments. Subjects were genotyped and a polygenic risk score for depression (MDD-PRS) was calculated. Daily physical activity and sleep were captured. Subjects were sampled at multiple time points throughout the freshman year on clinical rating scales, including GAD-7 and PHQ-9 for anxiety and depression, respectively. Two cohorts (2019-2021) were compared to a pre-COVID-19 cohort to assess the impact of the pandemic. Across cohorts, 26%-40% of freshmen developed symptoms of anxiety or depression (N=331). Depression symptoms significantly increased in the pandemic years, especially in females. Physical activity was reduced and sleep was increased by the pandemic, and this correlated with the emergence of mood symptoms. While Low MDD-PRS predicted lower risk for depression during a typical freshman year, this apparent genetic advantage was no longer evident during the pandemic. Indeed, females with lower genetic risk accounted for the majority of the pandemic-induced rise in depression. We developed a model that explained approximately half of the variance in follow-up depression scores based on psychological trait and state characteristics at baseline and contributed to resilience in genetically vulnerable subjects. We discuss the concept of multiple types of resilience, and the interplay between genetic, sex and psychological factors in shaping the affective response to different types of stressors. Significance Statement Biological and psychological factors that propelled the great rise in mood disorders during the COVID-19 pandemic remain unknown. We used a longitudinal design in three cohorts of college freshmen to parse the variables that contributed to susceptibility vs. resilience to pandemic stress. Low genetic risk (based on a depression polygenic risk score) was protective prior to the pandemic but this “genetic resilience” lost its effectiveness during the pandemic. Paradoxically, female students with low genetic risk showed enhanced vulnerability to depression during the pandemic across two cohorts. By contrast, we defined a baseline Affect Score (AS) comprising psychological variables that were predictive of future stress susceptibility or “psychological resilience” to stress even in the genetically vulnerable subjects.

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. Animals 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 bLR rats to display less social avoidance, more social interaction, less submission during defeat, and resilience to the prolonged effects of social stress on corticosterone, while enrichment caused bHR animals to show greater aggression during defeat and during a neutral social encounter, and decreased anxiety-like behavior. To gain insight into 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. These 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.