Abstract Early-life stress (ELS) leads to increased vulnerability to psychiatric disorders including depression later in life. Neuroinflammatory processes have been implicated in ELS-induced negative health outcomes, but how ELS impacts microglia, the main tissue-resident macrophages of the central nervous system, is unknown. Here, we determined the effects of ELS induced by limited bedding and nesting material during the first week of life (postnatal days [P]2 – 9) on microglial i) morphology; ii) hippocampal gene expression; and iii) synaptosome phagocytic capacity in male pups (P9) and adult (P200) mice. The hippocampus of ELS-exposed adult mice displayed altered proportions of morphological subtypes of microglia, as well as microglial transcriptomic changes related to the tumor necrosis factor response and protein ubiquitination. ELS exposure leads to distinct gene expression profiles during microglial development from P9 to P200 and in response to an LPS challenge at P200. Functionally, synaptosomes from ELS-exposed mice were phagocytosed less by age-matched microglia. At P200, but not P9, ELS microglia showed reduced synaptosome phagocytic capacity when compared to CTRL microglia. Lastly, we confirmed the ELS-induced increased expression of the phagocytosis-related gene GAS6 that we observed in mice, in the dentate gyrus of individuals with a history of child abuse using in situ hybridization. These findings reveal persistent effects of ELS on microglial function and suggest that altered microglial phagocytic capacity is a key contributor to ELS-induced phenotypes.

Abstract Major depressive disorder (MDD) is a common, heterogenous, and potentially serious psychiatric illness. Diverse brain cell types have been implicated in MDD etiology. Significant sexual differences exist in MDD clinical presentation and outcome, and recent evidence suggests different molecular bases for male and female MDD. We evaluated over 160,000 nuclei from 71 female and male donors, leveraging new and pre-existing single-nucleus RNA-sequencing data from the dorsolateral prefrontal cortex. Cell type specific transcriptome-wide threshold-free MDD-associated gene expression patterns were similar between the sexes, but significant differentially expressed genes (DEGs) diverged. Among 7 broad cell types and 41 clusters evaluated, microglia and parvalbumin interneurons contributed the most DEGs in females, while deep layer excitatory neurons, astrocytes, and oligodendrocyte precursors were the major contributors in males. Further, the Mic1 cluster with 38% of female DEGs and the ExN10_L46 cluster with 53% of male DEGs, stood out in the meta-analysis of both sexes.

Abstract Perineuronal nets (PNNs) are a condensed subtype of extracellular matrix that form a net-like coverings around certain neurons in the brain. PNNs are primarily composed of chondroitin sulfate (CS) proteoglycans from the lectican family that consist of CS-glycosaminoglycan side chains attached to a core protein. CS disaccharides can exist in various isoforms with different sulfation patterns. Literature suggests that CS disaccharide sulfation patterns can influence the function of PNNs as well as their labeling. This study was conducted to characterize such interregional CS disaccharide sulfation pattern differences in adult human (n = 81) and mouse (n = 19) brains. Liquid chromatography tandem mass spectrometry was used to quantify five different CS disaccharide sulfation patterns, which were then compared to immunolabeling of PNNs using Wisteria Floribunda Lectin (WFL) to identify CS-glycosaminoglycans and anti-aggrecan to identify CS proteoglycans. In healthy brains, significant regional and species-specific differences in CS disaccharide sulfation and single versus double-labeling pattern were identified. A secondary analysis to investigate how early-life stress impacts these PNN features discovered that although early-life stress increases WFL+ PNN density, the CS-glycosaminoglycan sulfation code and single versus double PNN-labeling distributions remained unaffected in both species. These results underscore PNN complexity in traditional research, emphasizing the need to consider their heterogeneity in future experiments.

Abstract The neurovascular unit (NVU), comprised of endothelial cells, pericytes, smooth muscle cells, astrocytic endfeet and microglia together with neurons, is paramount for the proper function of the central nervous system. The NVU gatekeeps blood-brain barrier (BBB) properties which, as a system, experiences impairment in several neurological and psychiatric diseases, and contributes to pathogenesis. To better understand function and dysfunction at the NVU, isolation and characterization of the NVU is needed. Here, we describe a singular, standardized protocol to enrich and isolate microvessels from archived snap-frozen human and frozen mouse cerebral cortex using mechanical homogenization and centrifugation-separation that preserves the structural integrity and multicellular composition of microvessel fragments. For the first time, microvessels are isolated from postmortem vmPFC tissue and are comprehensively investigated using both RNA sequencing and Liquid Chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS-MS). Both the transcriptome and proteome are elucidated and compared, demonstrating that the isolated brain microvessel is a robust model for the NVU and can be used to generate highly informative datasets in both physiological and disease contexts.

Major depressive disorder (MDD) associated genetic variants reside primarily in the non-coding, regulatory genome. Here we investigate genome-wide regulatory differences and putative gene-regulatory effects of disease risk-variants by examining chromatin accessibility combined with single-cell gene-expression profiles in over 200,000 cells from the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) of 84 individuals with MDD and neurotypical controls. MDD-associated accessibility alterations were prominent in deep-layer excitatory neurons characterized by transcription factor (TF) motif accessibility and binding of nuclear receptor (NR)4A2, an activity-dependent TF responsive to pathological stress. The same neurons were significantly enriched for MDD-associated genetic variation disrupting cis-regulatory sites and TF binding associated with genes involved in synaptic communication. Furthermore, a grey matter microglial cluster exhibited differentially closed chromatin in MDD affecting binding sites bound by TFs known to regulate immune homeostasis. In summary, our study points to specific cell types and regulatory mechanisms whereby genetic variation may increase predisposition to MDD.

Abstract Brain regions involved in olfaction, including the olfactory bulb, have been implicated in the etiology of major depression mainly on the basis of rodent models of the illness. To explore more directly the molecular features of the olfactory bulb (OB) in major depression, a global comparative proteome analysis was carried out with human OB samples from 12 middle-aged male depressed suicides and 12 matched controls. Cases displayed a significant reduction in astrocytic proteins. Furthermore, using RNA-fluorescence in-situ hybridization, we observed a decrease in the percentage of ALDH1L1+ cells expressing canonical astrocytic markers including ALDOC , NFIA , GJA1 (connexin 43) and SLC1A3 (EAAT1) . These results are consistent with previous reports of downregulated astrocytic marker expression in other brain regions in depressed suicides. We also conducted a comparative phosphoproteomic analysis of OB samples and found a dysregulation of proteins involved in neuronal and astrocytic functions. To determine whether OB astrocytic abnormalities can be observed in an animal model of depression, we also performed proteomics on the OB of socially defeated mice. Cell-type specific analysis revealed that in socially defeated animals, the most striking OB protein alterations were associated with oligodendrocyte-lineage cells rather than with astrocytes, highlighting an important species difference. Overall, this study further highlights cerebral astrocytic abnormalities as a consistent feature of depression and suicide in humans, and suggests that animal models of depression may not display all cellular and molecular features of depression, at least not in the OB.

Abstract Perineuronal nets (PNNs) are a condensed subtype of extracellular matrix that form a net-like coverings around certain neurons in the brain. PNNs are primarily composed of chondroitin sulfate (CS) proteoglycans from the lectican family that consist of CS-glycosaminoglycan (CS-GAG) side chains attached to a core protein. CS disaccharides (CS-d) can exist in various isoforms with different sulfation patterns. Literature suggests that CS-d sulfation patterns can influence the function of PNNs as well as their labeling. This study was conducted to characterize such interregional CS-d sulfation pattern differences in adult human (N = 81) and mouse (N = 19) brains. Liquid chromatography tandem mass spectrometry was used to quantify five different CS-d sulfation patterns, which were then compared to immunolabeling of PNNs using Wisteria Floribunda Lectin (WFL) to identify CS-GAGs and anti-aggrecan to identify CS proteoglycans. In healthy brains, significant regional and species-specific differences in CS-d sulfation and single versus double-labeling pattern were identified. A secondary analysis to investigate how early-life stress (ELS) impacts these PNN features discovered that although ELS increases WFL+ PNN density, the CS-GAG sulfation code and single versus double PNN-labeling distributions remained unaffected in both species. These results underscore PNN complexity in traditional research, emphasizing the need to consider their heterogeneity in future experiments.

The olfactory bulb (OB), a major structure of the limbic system, has been understudied in human investigations of psychopathologies such as depression. To explore more directly the molecular features of the OB in depression, a global comparative proteome analysis was carried out with human post-mortem OB samples from 11 males having suffered from depression and 12 healthy controls. We identified 188 differentially abundant proteins (with adjusted p < 0.05) between depressed cases and controls. Gene ontology and gene enrichment analyses suggested that these proteins are involved in biological processes including the complement and coagulation cascades. Cell type enrichment analysis displayed a significant reduction in several canonical astrocytic proteins in OBs from depressed patients. Furthermore, using RNA-fluorescence in-situ hybridization, we observed a decrease in the percentage of ALDH1L1

Abstract Microglia, versatile in their functions within the central nervous system, have recently been recognized for their capacity to degrade extracellular matrix. Perineuronal nets (PNNs), a specialized form of this matrix, are crucial for stabilizing neuronal connections and constraining plasticity. Our group recently reported increased PNN densities in the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) of adult depressed suicides with a history of child abuse, compared to matched controls. To explore the underlying mechanisms, we used here a comprehensive approach in similar postmortem vmPFC samples, combining a human matrix metalloproteinase array, isolation of CD11b-positive microglia and enzyme-linked immunosorbent assays. Our results indicate a significant downregulation of matrix metalloproteinase (MMP)-9 and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMP)-2 in both whole vmPFC grey matter and isolated microglia. Furthermore, our experiments revealed that a history of child abuse was associated with a dampening of intercellular communication between microglia and neurons through CX3CR1 and IL33R. Taken together, these findings suggest that microglial function is lastingly disrupted in the vmPFC of adults having experienced sever adversity during childhood, thus providing a potential mechanism for the previously reported child abuse-associated PNN alterations. Table of Contents Main Points Microglia are increasingly recognized for their involvement in regulating a specialized form of extracellular matrix known as perineuronal nets. Perineuronal net densities are increased in the ventromedial prefrontal cortex of depressed suicides with a history of child abuse. Microglia secrete less matrix metalloproteinases that are responsible for the degradation of perineuronal nets, specifically microglial MMP-9. Intercellular communication between microglia and neurons through IL33R and CX3CR1 is also dampened. Table of Contents Image

ABSTRACT Using spatial transcriptomics and FISH, we detected very few cells expressing neural stem cell- and proliferation-specific genes in the human dentate gyrus (DG) from childhood to middle age. However, we observed at all ages a significant number of DG cells expressing the immature neuronal marker DCX . Across ages, the majority of these cells displayed an inhibitory phenotype, while the remainder were non-committed or excitatory in nature.