Parenting and the early environment influence the risk for various psychopathologies. Studies in the rat suggest that variations in maternal care stably influence DNA methylation, gene expression, and neural function in the offspring. Maternal care affects neural development, including the GABAergic system, the function of which is linked to the pathophysiology of diseases including schizophrenia and depression. Postmortem studies of human schizophrenic brains have revealed decreased forebrain expression of glutamic acid decarboxylase 1 ( GAD1 ) accompanied by increased methylation of a GAD1 promoter. We examined whether maternal care affects GAD1 promoter methylation in the hippocampus of adult male offspring of high and low pup licking/grooming (high-LG and low-LG) mothers. Compared with the offspring of low-LG mothers, those reared by high-LG dams showed enhanced hippocampal GAD1 mRNA expression, decreased cytosine methylation, and increased histone 3–lysine 9 acetylation (H3K9ac) of the GAD1 promoter. DNA methyltransferase 1 expression was significantly higher in the offspring of low- compared with high-LG mothers. Pup LG increases hippocampal serotonin (5-HT) and nerve growth factor-inducible factor A (NGFI-A) expression. Chromatin immunoprecipitation assays revealed enhanced NGFI-A association with and H3K9ac of the GAD1 promoter in the hippocampus of high-LG pups after a nursing bout. Treatment of hippocampal neuronal cultures with either 5-HT or an NGFI-A expression plasmid significantly increased GAD1 mRNA levels. The effect of 5-HT was blocked by a short interfering RNA targeting NGFI-A. These results suggest that maternal care influences the development of the GABA system by altering GAD1 promoter methylation levels through the maternally induced activation of NGFI-A and its association with the GAD1 promoter.

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.

Exposure of mice to chronic social defeat stress (CSDS) produces depressive- and anxiety-like behaviors and widespread transcriptomic changes in several brain regions in susceptible animals. Here we present the first study of genome-wide cytosine methylation patterns of mice susceptible to CSDS using whole-genome bisulfite sequencing on DNA from the nucleus accumbens, a critical region for CSDS effects on behavior. We found extensive evidence for differential methylation following exposure to CSDS in susceptible animals, with a greater proportion of CG hypermethylation than hypomethylation in CSDS-susceptible mice compared to non-stressed controls; non-CG methylation shows the opposite trend. Several genes previously implicated in the effects of CSDS are among those with the greatest number of differentially methylated sites, including estrogen receptor alpha (Esr1), the deleted in colorectal cancer (Dcc) gene and Cacna1c, which has been associated with a range of psychiatric conditions. Informatic analysis of DM sites revealed a gene network with beta-catenin as the hub gene of a network that included the beta-catenin-related WNT/frizzled signaling pathway as well as both Esr1 and Dcc. Finally, we found considerable overlap between DM genes associated with CSDS in susceptible animals and those associated with human neuroticism in a genome-wide association study. Analysis of these overlapping genes revealed WNT signaling as the top pathway, which features beta-catenin as the primary hub gene. These findings reveal a striking convergence between the molecular pathways identified through either transcriptional or epigenomic analyses of the mouse model of susceptibility to chronic stress and the genomic architecture of increased stress susceptibility reflected in neuroticism in humans.

Human MRI studies show that experience can lead to changes in the volume of task-specific brain regions; however, the behavioural and molecular processes driving these changes remain poorly understood. Here, we used in-vivo mouse MRI and RNA sequencing to investigate the neuroanatomical and transcriptional changes induced by environmental enrichment, exercise, and social interaction. Additionally, we asked whether the volume changes require CREB, a transcription factor critical for memory formation and neuronal plasticity. Enrichment rapidly increased cortical and hippocampal volume, and these effects were not attributable to exercise or social interaction. Instead, they likely arise from learning and sensorimotor experience. Nevertheless, the volume changes were not attenuated in mice with memory impairments caused by loss of CREB, indicating that these effects are driven by processes distinct from this canonical learning and memory pathway. Finally, within brain regions that underwent volume changes, enrichment increased the expression of genes associated with axonogenesis, dendritic spine development, synapse structural plasticity, and neurogenesis, suggesting these processes underlie the volume changes detected with MRI.