Abstract The phenotype of an organism results from its genotype and the influence of the environment throughout development. Even when using animals of the same genotype, independent studies may test animals of different phenotypes, resulting in poor replicability due to genotype-by-environment interactions 1–4 . Thus, genetically defined strains of mice may respond differently to experimental treatments depending on their rearing environment 5 . However, the extent of such phenotypic plasticity and its implications for the replicability of research findings have remained unknown. Here, we examined the extent to which common environmental differences between rearing facilities modulate the phenotype of genetically homogeneous (inbred) mice. We conducted a comprehensive multi-center study, where inbred mice from the same breeding stock were reared in five different facilities throughout early life and adolescence, before being transported to a single test laboratory. We found persistent effects of rearing facility on the composition and heterogeneity of the gut microbial community. These effects were paralleled by persistent differences in body weight and in the behavioural phenotype of the mice. Furthermore, we show that common variation among rearing facilities is strong enough to influence epigenetic patterns in neurons at the level of chromatin organization. We detected changes in chromatin organization in the regulatory regions of genes involved in nucleosome assembly, neuronal differentiation, synaptic plasticity and regulation of behavior. Our findings demonstrate that common environmental differences between rearing facilities may produce facility-specific phenotypes, from the molecular to the behavioural level. We expect our findings to stimulate further research into the mechanisms and drivers of these epigenetic changes mediated by the laboratory environment. Furthermore, they highlight an important limitation of inferences from single-laboratory studies and a need to account for the animals’ environmental background in study design to produce robust and replicable findings.

ABSTRACT Animal research on anxiety and anxiety disorders relies on valid animal models of anxiety. However, the validity of widely used rodent behavioural tests of anxiety has repeatedly been questioned, as they often fail to produce consistent results across independent replicate studies using different study populations or different anxiolytic compounds. In this study, we assessed the sensitivity of behavioural tests of anxiety in mice to detect anxiolytic effects of drugs prescribed to treat anxiety in humans. To this end, we conducted a pre-registered systematic review of studies reporting tests of anxiolytic compounds against a control treatment using common behavioural tests of anxiety in mice. PubMed and EMBASE were searched on August 21 st 2019 for studies published in English and 814 papers were identified for inclusion. Risk of bias was assessed based on Syrcle’s risk of bias tool and the Camarades study quality checklist on a randomly selected subsample of 180 papers. Meta-analyses on effect sizes of treatments using standardized mean differences (Hedges’ g) showed that only two of 17 test measures reliably detected effects of anxiolytic compounds other than diazepam. Further, we report considerable variation in both direction and size of effects of most anxiolytics on most outcome variables, indicating poor replicability of test results. This was corroborated by high heterogeneity in most test measures. Finally, we found an overall high risk of bias. Our findings indicate a general lack of sensitivity of common behavioural tests of anxiety in mice to anxiolytic compounds and cast serious doubt on both construct and predictive validity of most of those tests. The use of animals to model human conditions can be justified only if the expected results are informative, reproducible, and translatable. In view of scientifically valid and ethically responsible research, we call for a revision of behavioural tests of anxiety in mice and the development of more predictive tests.

ABSTRACT The Assay for Transposase Accessible Chromatin by sequencing (ATAC-seq) is becoming increasingly popular in the neuroscience field where chromatin regulation is thought to be involved in neurodevelopment, activity-dependent gene regulation, hormonal and environmental responses, and the pathophysiology of neuropsychiatric disorders. The advantages of using this assay include a small amount of material needed, relatively simple and fast protocol, and the ability to capture a range of gene regulatory elements with a single assay. However, with increasing interest in chromatin research, it is an imperative to have feasible, reliable assays that are compatible with a range of neuroscience study designs in both animals and humans. Here we tested three different protocols for neuronal chromatin accessibility analysis, including a varying brain tissue freezing method followed by fluorescent-activated nuclei sorting (FANS) and the ATAC-seq analysis. Our study shows that the cryopreservation method impacts the number of open chromatin regions that can be identified from frozen brain tissue using the cell-type specific ATAC-seq assay. However, we show that all three protocols generate consistent and robust data and enable the identification of functional regulatory elements, promoters and enhancers, in neuronal cells. Our study also implies that the broad biological interpretation of chromatin accessibility data is not significantly affected by the freezing condition. In comparison to the mouse brain analysis, we reveal the additional challenges of doing chromatin analysis on post mortem human brain tissue. However, we also show that these studies are revealing important cell type-specific information about gene regulation in the human brain. Overall, the ATAC-seq coupled with FANS is a powerful method to capture cell-type specific chromatin accessibility information in the mouse and human brain. Our study provides alternative brain preservation methods that generate high quality ATAC-seq data while fitting in different study designs, and further encourages the use of this method to uncover the role of epigenetic (dys)regulation in healthy and malfunctioning brain.

Stress during sensitive developmental periods can adversely affect physical and psychological development and contribute to later-life mental disorders. In particular, adverse experiences during childhood dramatically increase the risk for the development of depression and anxiety disorders. Although women of reproductive age are twice as likely to develop anxiety and depression than men of the corresponding age, little is known about sex-specific factors that promote or protect against the development of psychopathology. To examine potential developmental mechanisms driving sex disparity in risk for anxiety and depression, we established a two-hit developmental stress model including maternal separation in early life followed by social isolation in adolescence. Our study shows complex interactions between early-life and adolescent stress, between stress and sex, and between stress and female estrogen status in shaping behavioral phenotypes of adult animals. In general, increased locomotor activity and body weight reduction were the only two phenotypes where two stressors showed synergistic activity. In terms of anxiety- and depression-related phenotypes, single exposure to early-life stress had the most significant impact and was female-specific. We show that early-life stress disrupts the protective role of estrogen in females, and promotes female vulnerability to anxiety- and depression-related phenotypes associated with the low-estrogenic state. We found plausible transcriptional and epigenetic alterations in psychiatric risk genes, Nr3c1 and Cacna1c, that likely contributed to the stress-induced behavioral effects. In addition, two general transcriptional regulators, Egr1 and Dnmt1, were found to be dysregulated in maternally-separated females and in animals exposed to both stressors, respectively, providing insights into possible transcriptional mechanisms that underlie behavioral phenotypes. Our findings provide a novel insight into developmental risk factors and biological mechanisms driving sex differences in depression and anxiety disorders, facilitating the search for more effective, sex-specific treatments for these disorders.

Abstract Early-life stress and ovarian hormones contribute to increased female vulnerability to cocaine addiction. Here we reveal molecular substrates in the key reward area, the nucleus accumbens, through which these female-specific factors affect immediate and conditioning responses to cocaine in mice. We find shared involvement of X chromosome and estrogen signaling gene regulation in enhanced conditioning responses seen after early-life stress and during the low-estrogenic state in females. During the low-estrogenic state, females respond to acute cocaine exposure by increasing the accessibility of neuronal chromatin enriched for the binding sites of ΔFosB, a transcription factor implicated in chronic cocaine response and addiction. Conversely, high-estrogenic females respond to cocaine by preferential closing of neuronal chromatin, providing a mechanism for limiting cocaine-driven chromatin and synaptic plasticity. We find that physiological estrogen withdrawal, exposure to early-life stress, and absence of the second X chromosome all nullify the protective effect of high-estrogenic state on cocaine conditioning in females. Our findings offer a molecular framework to understand sex-specific neuronal mechanisms underlying cocaine use disorder.