Abstract Brexanolone (allopregnanolone), was recently approved by the FDA for the treatment of post-partum depression, demonstrating long-lasting antidepressant effects. Despite our understanding of the mechanism of action of neurosteroids as positive allosteric modulators (PAMs) of GABA a receptors, we still do not fully understand how allopregnanolone exerts these persistent antidepressant effects. Here, we demonstrate that allopregnanolone and similar synthetic neuroactive steroid analogs, SGE-516 (tool-compound) and zuranolone (SAGE-217, investigational-compound), are capable of modulating oscillatory states across species, which we propose may contribute to long-lasting changes in behavioral states. We identified a critical role for interneurons in generating oscillations in the basolateral amygdala (BLA) and a role for delta-containing GABA a Rs in mediating the ability of neurosteroids to modulate network and behavioral states. Actions of allopregnanolone in the BLA is sufficient to alter behavioral states and enhance BLA high-theta oscillations (6-12Hz) through delta-containing GABA a receptors, a mechanism distinct from other GABA a PAMs, such as benzodiazepines. Moreover, treatment with the allopregnanolone analog SGE-516 induces long-lasting protection from chronic stress-induced disruption of network states, which correlates with improved behavioral outcomes. Our findings demonstrate a novel molecular and cellular mechanism mediating the well-established anxiolytic and antidepressant effects of neuroactive steroids.

Abstract Chronic stress is a major risk factor for psychiatric illnesses, including depression; however, the pathophysiological mechanisms whereby stress leads to mood disorders remain unclear. The recent FDA approval of antidepressants with novel mechanisms of action, like Zulresso®, a synthetic neuroactive steroid analog with molecular pharmacology similar to allopregnanolone, has spurred interest in new therapeutic targets and, potentially, novel pathophysiological mechanisms for depression. Allopregnanolone acts as a positive allosteric modulator of GABA A receptors (GABA A RS), acting preferentially at δ subunit-containing receptors (δ-GABA A RS). Accumulating clinical and preclinical evidence supports the antidepressant effects of exogenous administration of allopregnanolone and allopregnanolone analogs; however, the role of endogenous neurosteroids in the pathophysiology of depression remains unknown. Here, we examine whether altered neurosteroid signaling may contribute to behavioral deficits following chronic unpredictable stress (CUS) in mice. We first identified reductions in expression of δ-GABA A Rs, the predominant site of action of 5a-reduced neuroactive steroids, following CUS. Additionally, utilizing LC-MS/MS we discovered a decrease in levels of allopregnanolone in the BLA, but not plasma of mice following CUS, an indication of impaired neurosteroid synthesis. CRISPR knockdown the rate-limiting enzymes involved in allopregnanolone synthesis, 5α-reductase type 1 and 2, in the BLA mimicked the behavioral deficits associated with CUS in mice. Furthermore, overexpression expression of 5α-reductase type 1 and 2 in the BLA improved behavioral outcomes. Collectively, this suggests chronic stress impairs endogenous neurosteroid signaling in the BLA which is sufficient to induce behavioral deficits similar to those observed following CUS. Further, these studies suggest that the therapeutic efficacy of allopregnanolone-based treatments may be due to their ability to directly target the underlying pathophysiology of mood disorders. Therefore, targeting endogenous neurosteroidogenesis may offer a novel therapeutic strategy for the treatment of mood disorders.

Abstract Neurosteroids have been implicated in the pathophysiology of post-traumatic stress disorder (PTSD). Allopregnanolone is reduced in subsets of individuals with PTSD and has been explored as a novel treatment strategy. Both direct trauma exposure and witnessed trauma are risk factors for PTSD; however, the role of neurosteroids in the behavioral outcomes of these unique experiences has not been explored. Here we investigate whether observational fear is associated with a reduced capacity for endogenous neurosteroidogenesis and the relationship with behavioral outcomes. We demonstrate that both mice directly subjected to the threat (foot shocks) and those witnessing the threat have decreased plasma levels of allopregnanolone. The expression of a key enzyme involved in endogenous neurosteroid synthesis, 5α-reductase type 2, is decreased in the basolateral amygdala (BLA), which is a major emotional processing hub implicated in PTSD. We demonstrate that knockdown of 5α-reductase type 2 exaggerates the behavioral expression of fear in response to witnessed trauma, whereas treatment with an exogenous, synthetic neuroactive steroid GABA A receptor PAM with molecular pharmacology similar to allopregnanolone (SGE-516 [tool compound]) decreases the behavioral response to observational fear. These data implicate impaired endogenous neurosteroidogenesis in the pathophysiology of threat exposure, both direct and witnessed. Further, these data suggest that treatment with exogenous 5α-reduced neurosteroids or targeting endogenous neurosteroidogenesis may be beneficial for the treatment of individuals with PTSD, whether resulting from direct or witnessed trauma.