Alcohol abuse causes widespread changes in gene expression in human brain, some of which contribute to alcohol dependence. Previous microarray studies identified individual genes as candidates for alcohol phenotypes, but efforts to generate an integrated view of molecular and cellular changes underlying alcohol addiction are lacking. Here, we applied a novel systems approach to transcriptome profiling in postmortem human brains and generated a systemic view of brain alterations associated with alcohol abuse. We identified critical cellular components and previously unrecognized epigenetic determinants of gene coexpression relationships and discovered novel markers of chromatin modifications in alcoholic brain. Higher expression levels of endogenous retroviruses and genes with high GC content in alcoholics were associated with DNA hypomethylation and increased histone H3K4 trimethylation, suggesting a critical role of epigenetic mechanisms in alcohol addiction. Analysis of cell-type-specific transcriptomes revealed remarkable consistency between molecular profiles and cellular abnormalities in alcoholic brain. Based on evidence from this study and others, we generated a systems hypothesis for the central role of chromatin modifications in alcohol dependence that integrates epigenetic regulation of gene expression with pathophysiological and neuroadaptive changes in alcoholic brain. Our results offer implications for epigenetic therapeutics in alcohol and drug addiction.

Abstract Oligodendrocytes are a key cell type within the central nervous system (CNS) that generate the myelin sheath covering axons, enabling fast propagation of neuronal signals. Alcohol consumption is known to affect oligodendrocytes and white matter in the CNS. However, most studies have focused on fetal alcohol spectrum disorder and severe alcohol use disorder. Additionally, the impact of alcohol dosage on oligodendrocytes has not been previously investigated. In this study, we evaluated transcriptomic changes in C57BL6/J cultured mature oligodendrocytes following exposure to moderate and high concentrations of alcohol. We found that high concentrations of alcohol elicited gene expression changes across a wide range of biological pathways, including myelination, protein translation, integrin signaling, cell cycle regulation, and inflammation. Further, our results demonstrate that transcriptomic changes are indeed dependent on alcohol concentration, with moderate and high concentrations of alcohol provoking distinct gene expression profiles. In conclusion, our study demonstrates that alcohol-induced transcriptomic changes in oligodendrocytes are concentration-dependent and may have critical downstream impacts on myelin production. Targeting alcohol-induced changes in cell cycle regulation, integrin signaling, inflammation, or protein translation regulation may uncover mechanisms for modulating myelin production or inhibition. Furthermore, gaining a deeper understanding of alcohol’s effects on oligodendrocyte demyelination and remyelination could help uncover therapeutic pathways that can be utilized independent of alcohol to aid in remyelinating drug design.

Many genes differentially expressed in brain tissue from human alcoholics and animals that have consumed large amounts of alcohol are components of the innate immune toll-like receptor (TLR) pathway. TLRs initiate inflammatory responses via two branches: (1) MyD88-dependent or (2) TRIF-dependent. All TLRs signal through MyD88 except TLR3. Prior work demonstrated a direct role for MyD88-dependent signaling in regulation of alcohol consumption. However, the role of TLR3 as a potential regulator of excessive alcohol drinking has not previously been investigated. To test the possibility TLR3 activation regulates alcohol consumption, we injected mice with the TLR3 agonist polyinosinic:polycytidylic acid (poly(I:C)) and tested alcohol consumption in an every-other-day two-bottle choice test. Poly(I:C) produced a persistent increase in alcohol intake that developed over several days. Repeated poly(I:C) and ethanol exposure altered innate immune transcript abundance; increased levels of TRIF-dependent pathway components correlated with increased alcohol consumption. Administration of poly(I:C) before exposure to alcohol did not alter alcohol intake, suggesting that poly(I:C) and ethanol must be present together to change drinking behavior. To determine which branch of TLR signaling mediates poly(I:C)-induced changes in drinking behavior, we tested either mice lacking MyD88 or mice administered a TLR3/dsRNA complex inhibitor. MyD88 null mutants showed poly(I:C)-induced increases in alcohol intake. In contrast, mice pretreated with a TLR3/dsRNA complex inhibitor reduced their alcohol intake, suggesting poly(I:C)-induced escalations in alcohol intake function are, at least partially, dependent on TLR3. Together, these results strongly suggest that TLR3-dependent signaling drives excessive alcohol drinking behavior.

Alcoholism remains a prevalent health concern throughout the world. Previous studies have identified transcriptomic patterns in the brain associated with alcohol dependence in both humans and animal models. However, none of these studies have systematically investigated expression within the unique cell types present in the brain. We utilized single nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) to examine the transcriptomes of over 16,000 nuclei isolated from the prefrontal cortex of alcoholic and control individuals. Each nucleus was assigned to one of seven major cell types by unsupervised clustering. Cell type enrichment patterns varied greatly among neuroinflammatory-related genes, which are known to play roles in alcohol dependence and neurodegeneration. Differential expression analysis identified cell type-specific genes with altered expression in alcoholics. The largest number of differentially expressed genes, including both protein-coding and non-coding, were detected in astrocytes, oligodendrocytes, and microglia. To our knowledge, this is the first single cell transcriptome analysis of alcohol-associated gene expression in any species, and the first such analysis in humans pertaining to addictive substance. By delineating expression of cell type-specific differences, our findings greatly advance knowledge of transcriptomic changes in the brain of alcohol-dependent individuals.

Transcriptome studies can identify genes whose expression differs between alcoholics and controls. To test which variants associated with alcohol use disorder (AUDs) may cause expression differences, we integrated deep RNA-seq and GWAS data from four postmortem brain regions of 30 AUDs subjects and 30 controls (social/non-drinkers) and analyzed allele-specific expression (ASE). We identified 90 genes with differential ASE in subjects with AUDs compared to controls. Of these, 61 genes contained 437 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the 3' untranslated regions (3'UTR) with at least one heterozygote among the subjects studied. Using a modified PASSPORT-seq (parallel assessment of polymorphisms in miRNA target-sites by sequencing) assay, we identified 25 SNPs that showed affected RNA levels in a consistent manner in two neuroblastoma cell lines, SH-SY5Y and SK-N-BE(2). Many of these are in binding sites of miRNAs and RNA binding proteins, indicating that these SNPs are likely causal variants of AUD-associated differential ASE.

Abstract Stress exposure contributes to the development of drug and alcohol use disorders. In animal models, stress exacerbates escalations in alcohol consumption in alcohol-dependent animals. The nucleus of the solitary tract (NTS) is a critical brainstem region for integrating and relaying peripheral signals to regulate stress responses. To define the molecular adaptions within this brain region that may contribute to stress-induced alcohol drinking, we exposed animals to chronic intermittent bouts of ethanol vapor (CIE), forced swim stress (FSS), or both (CIE + FSS) and then transcriptionally profiled the NTS at three different timepoints after the last vapor exposure (0-hr, 72-hr, and 186-hr). We identified interferon (IFN) signaling as a critical gene network correlated with alcohol consumption levels. Using a likelihood ratio test, we identified genes that were differentially expressed across time and between groups. Clustering analysis of these genes to identify unique expression patterns identified a subset of genes that fail to normalize in the CIE + FSS group, but not the others. These genes were enriched for cell-to-cell interaction and cellular movement pointing to long-term structural and functional changes in this brain region caused by the unique interaction of alcohol dependence and stress. Specific genes of interest identified in this group include Aqp4 , Il16 , Reln , Grm4 , Gabrd , and Gabra6 . We also compared gene expression changes in the NTS to the PFC and found a significant overlap of genes between the two brain regions. Overlapping NTS/PFC genes in the CIE + FSS group were enriched for type I IFN signaling. Finally, we tested the hypothesis that activation of type I IFN signaling increases alcohol consumption based on the three lines of evidence identifying type I IFN signaling as critical for escalations in alcohol intake. Mice treated with recombinant IFNβ showed significantly elevated levels of alcohol intake in a two-bottle choice procedure compared to saline-treated controls. Overall, these results define the transcriptomic changes across time in the NTS that may be critical to the development of stress-induced increases in alcohol consumption and alcohol dependence.

Alcohol use disorder (AUD) is a prevalent neuropsychiatric disorder that is a major global health concern, affecting millions of people worldwide. Past molecular studies of AUD used underpowered single cell analysis or bulk homogenates of postmortem brain tissue, which obscures gene expression changes in specific cell types. Here we performed single nuclei RNA-sequencing analysis of 73 post-mortem samples from individuals with AUD (N=36, N

Alcohol exposure triggers changes in gene expression and biological pathways in human brain. We explored alterations in gene expression in the Pre-Frontal Cortex (PFC) of 65 alcoholics and 73 controls of European descent, and identified 129 genes that showed altered expression (FDR < 0.05) in subjects with alcohol dependence. Differentially expressed genes were enriched for pathways related to interferon signaling and Growth Arrest and DNA Damage-inducible 45 (GADD45) signaling. A coexpression module (thistle2) identified by weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) was significantly correlated with alcohol dependence, alcohol consumption, and AUDIT scores. Genes in the thistle2 module were enriched with genes related to calcium signaling pathways and showed significant downregulation of these pathways, as well as enrichment for biological processes related to nicotine response and opioid signaling. A second module (brown4) showed significant upregulation of pathways related to immune signaling. Expression quantitative trait loci (eQTLs) for genes in the brown4 module were also enriched for genetic associations with alcohol dependence and alcohol consumption in large genome-wide studies included in the Psychiatric Genetic Consortium and the UK Biobank alcohol consumption dataset. By leveraging multi-omics data, this transcriptome analysis has identified genes and biological pathways that could provide insight for identifying therapeutic targets for alcohol dependence.