ABSTRACT Histone acetylation is a key component in the consolidation of long-term fear memories. Epigenetic enzymes involved in histone acetylation, including histone acetyltransferases and deacetylases, have been put forward as potential pharmacological targets in the treatment of pathological fear memories, such as those that underlie post-traumatic stress disorder (PTSD). However, these enzymes typically play a ubiquitous role in gene regulation, which precludes the clinical use of systemic manipulations. Recently, we have found that a nuclear-localized metabolic enzyme, Acetyl-coA synthetase 2 (Acss2), modulates histone acetylation during learning and memory. Loss of Acss2 is well-tolerated in mice, with no impact on general health or baseline behavior. Here, we show that an Acss2 null mouse model shows reduced acquisition of long-term fear memories in assays of contextual and cued fear conditioning. We find that loss of Acss2 leads to consolidation-specific reductions in both histone acetylation and the expression of critical learning and memory-related genes in the dorsal hippocampus. Further, we show that systemic administration of blood-brain-barrier (BBB)-permeable Acss2 inhibitors during the consolidation window reduces fear memory formation in mice and rats, and also reduces anxiety in a predator-scent-stress (PSS) paradigm. Our findings suggest that Acss2 plays a critical role in the formation of fear memories, and represents a potential pharmacological target in the treatment of PTSD.

ABSTRACT Dysregulation of histone acetylation in the brain has emerged as a major contributor to human Alzheimer’s disease (AD). The mechanisms by which these protective or risk-conferring epigenetic marks are established and maintained are under intense investigation. ACSS2 (Acetyl-CoA Synthetase 2) is a key metabolic enzyme that is chromatin-associated in neurons. ACSS2 is recruited to specific promoters and generates a local pool of acetyl-CoA from acetate, thereby fueling histone acetylation and driving the expression of neuronal genes that regulate learning and memory. Here, we examine the contribution of ACSS2-mediated histone acetylation to AD-related molecular and behavioral outcomes. Using a mouse model of human pathological AD-Tau injection, we show that loss of ACSS2 exacerbates Tau-related memory impairments, while dietary supplementation of acetate rescues learning in an ACSS2-dependent manner. Combining state-of-the-art proteomic and genomic approaches, we demonstrate that this effect is accompanied by ACSS2-dependent incorporation of acetate into hippocampal histone acetylation, which facilitates gene expression programs related to learning. Further, we identify Cajal-Retzius neurons as a critical hippocampal neuronal population affected, exhibiting the largest epigenetic and transcriptional dysregulation. Overall, these results reveal ACSS2 as a key neuroprotective metabolic enzyme, dysregulation of which might play an important role in the etiology of human AD, and guide the development of future therapies for AD and related dementia.

ABSTRACT Metabolic-epigenetic interactions are emerging as key pathways in regulating alcohol-related transcriptional changes in the brain. We previously demonstrated that this is mediated by the metabolic enzyme Acetyl-CoA synthetase 2 (Acss2), which is nuclear and chromatin-bound in neurons. Mice lacking Acss2 fail to deposit alcohol-derived acetate onto histones in the brain and show no conditioned place preference for ethanol reward. Here, we explored the role of this pathway during voluntary alcohol intake. We found that Acss2 KO mice consumed significantly less alcohol during drinking-in-the-dark, and this effect was primarily driven by males. We performed genome-wide transcriptional profiling of 7 key brain regions implicated in alcohol and drug use, and found that, following drinking, Acss2 KO mice exhibited blunted gene expression in the ventral striatum, and similar to the behavioral differences, transcriptional dysregulation was more pronounced in male mice. Further, we found that the gene expression changes were associated with depletion of ventral striatal histone acetylation (H3K27ac) in Acss2 KO mice compared to WT. Taken together, our data suggest that Acss2 plays an important role in orchestrating ventral striatal epigenetic and transcriptional changes during voluntary alcohol drinking, especially in males. Consequently, targeting this pathway could be a promising new therapeutic avenue.