Summary Glucocorticoids are important for proper organ maturation and their levels are tightly regulated during development. Here we use human cerebral organoids and mice to study cell-type specific effects of glucocorticoids on neurogenesis. We show that glucocorticoids increase a specific type of basal progenitors (co-expressing PAX6 and EOMES ) that has been shown to drive cortical expansion in gyrified species. This effect is mediated via the transcription factor ZBTB16 and leads to increased production of neurons. A phenome-wide mendelian randomization analysis of an enhancer variant that moderates glucocorticoid-induced ZBTB16 levels, reveals causal relationships with higher educational attainment and altered brain structure. The relationship with postnatal cognition is supported by data from a prospective pregnancy cohort. This study provides a novel cellular and molecular pathway for the effects of glucocorticoids on human neurogenesis that relates to lasting postnatal phenotypes.

ABSTRACT Identification and characterisation of novel targets for treatment is a priority in the field of psychiatry. FKBP5 is a gene with decades of evidence suggesting its pathogenic role in a subset of psychiatric patients, with potential to be leveraged as a therapeutic target for these individuals. While it is widely reported that FKBP5 /FKBP51 mRNA/protein ( FKBP5 /1) expression is impacted by psychiatric disease state, risk genotype and age, it is not known in which cell-types and sub-anatomical areas of the human brain this occurs. This knowledge is critical to propel FKBP5 /1-targeted treatment development. Here, we performed an extensive, large-scale postmortem study (n=1024) of FKBP5 /1 examining prefrontal cortex (BA9, BA11, BA24) derived from subjects that lived with schizophrenia, major depression or bipolar disorder. With an extensive battery of RNA (bulk RNA sequencing, single-nucleus RNA sequencing, microarray, qPCR, RNAscope) and protein (immunoblot, immunohistochemistry) analysis approaches, we thoroughly investigated the effects of disease-state, aging and genotype on cortical FKBP5 /1 expression including in a cell-type specific manner. We identified consistently heightened FKBP5 /1 levels in psychopathology and with age, but not genotype, with these effects strongest in schizophrenia. Using single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) and targeted histology, we established that these disease- and aging-effects on FKBP5 /1 expression were most pronounced in excitatory supragranular neurons. We then found that this increase in FKBP5 levels likely impacts on synaptic plasticity, as FKBP5 gex levels strongly and inversely correlated with dendritic mushroom spine density and brain-derived neurotrophic factor ( BDNF ) levels in supragranular neurons. These findings pinpoint a novel cellular and molecular mechanism that has significant potential to open a new avenue of FKBP51 drug development to treat cognitive symptoms in psychiatric disorders.

Abstract Aging is a complex biological process and represents the largest risk factor for neurodegenerative disorders. The risk for neurodegenerative disorders is also increased in individuals with psychiatric disorders. Here, we characterized age-related transcriptomic changes in the brain by profiling ~800,000 nuclei from the orbitofrontal cortex from 87 individuals with and without psychiatric diagnoses and replicated findings in an independent cohort with 32 individuals. Aging affects all cell types, with LAMP5 + LHX6 + interneurons, a cell-type abundant in primates, by far the most affected. Disrupted synaptic transmission emerged as a convergently affected pathway in aged tissue. Age-related transcriptomic changes overlapped with changes observed in Alzheimer’s disease across multiple cell types. We find evidence for accelerated transcriptomic aging in individuals with psychiatric disorders and demonstrate a converging signature of aging and psychopathology across multiple cell types. Our findings shed light on cell-type-specific effects and biological pathways underlying age-related changes and their convergence with effects driven by psychiatric diagnosis.

Background: The ability to accurately and efficiently measure DNA methylation is vital to advance the understanding of this mechanism and its contribution to common diseases. Here, we present a highly accurate method to measure methylation using bisulfite sequencing (termed HAM-TBS). This novel method is able to assess DNA methylation in multiple samples with high accuracy in a cost-effective manner. We developed this assay for the FKBP5 locus, an important gene in the regulation of the stress system and previously linked to stress-related disorders, but the method is applicable to any locus of interest. Results: HAM-TBS enables multiplexing of up to 96 samples spanning a region around 10 kb using the Illumina MiSeq. It incorporates a triplicate bisulfite conversion step, pooled target enrichment via PCR, PCR-free library preparation and a minimum coverage of 1,000x. Furthermore, we designed and validated a targeted panel to specifically assess regulatory regions within the FKBP5 locus including the transcription start site, topologically associated domain boundaries, intergenic and proximal enhancers as well as glucocorticoid receptor and CTCF binding sites that are not covered in commercially available DNA methylation arrays. Conclusions: HAM-TBS represents a highly accurate, medium-throughput sequencing approach for robust detection of DNA methylation changes in specific target regions.

Aging and psychosocial stress are associated with increased inflammation and disease risk, but the underlying molecular mechanisms are poorly understood. Because both aging and stress are also associated with lasting epigenetic changes, a plausible hypothesis is that stress exposure along the lifespan could confer disease risk by epigenetically deregulating molecules involved in inflammatory processes. Here, by combining large-scale analyses in human cohorts with mechanistic in vitro investigations, we found that FKBP5, a protein implicated in stress physiology, contributes to these relations. Across independent human cohorts (total n=3,131), aging and stress-related phenotypes were synergistically associated with epigenetic derepression of FKBP5. These age/stress-related epigenetic effects were recapitulated in an in vitro model of replicative senescence, whereby we exposed replicating human fibroblasts to stress (glucocorticoid) hormones. Unbiased genome-wide analyses in human blood linked higher FKBP5 mRNA with a proinflammatory profile and altered NF-kB-related gene networks. Accordingly, experiments in immune cells showed that FKBP5 overexpression promotes inflammation by strengthening the interactions of NF-kB regulatory kinases, whereas opposing FKBP5 either by genetic deletion (CRISPR/Cas9-mediated) or selective pharmacological inhibition prevented the effects on NF-kB. Further, the age/stress-related epigenetic signature enhanced FKBP5 responsivity to NF-kB through a positive feedback loop and was present in individuals with a history of acute myocardial infarction, a disease state linked to peripheral inflammation. These findings suggest that FKBP5-NF-kB signaling mediates inflammation associated with aging and stress, potentially contributing to cardiovascular risk, and may thus point to novel biomarker and treatment possibilities.

Abstract Background Stress is associated with elevated risk for overweight and obesity, especially in women. Since body mass index (BMI) is correlated with increased inflammation and reduced baseline cortisol, obesity may lead to altered stress responses. However, it is not well understood whether stress-induced changes in brain function scale with BMI and if peripheral inflammation contributes to this. Methods We investigated the subjective, autonomous, endocrine, and neural stress response in a transdiagnostic sample (N=192, 120 women, M BMI =23.7±4.0 kg/m 2 ; N=148, 89 women, with cytokines). First, we used regression models to examine effects of BMI on stress reactivity. Second, we predicted BMI based on stress-induced changes in activation and connectivity using cross-validated elastic-nets. Third, to link stress responses with inflammation, we quantified the association of BMI-related cytokines with model predictions. Results BMI was associated with higher negative affect after stress and an increased response to stress in the substantia nigra and the bilateral posterior insula ( p FWE <.05). Moreover, stress-induced changes in activation of the hippocampus, dACC, and posterior insula predicted BMI in women ( p perm <.001), but not in men. BMI was associated with higher baseline cortisol while cytokines were not associated with predicted BMI scores. Conclusions Stress-induced changes in the hippocampus and posterior insula predicted BMI in women, indicating that acute brain responses to stress might be more strongly related to a higher BMI in women compared to men. Altered stress-induced changes were associated with baseline cortisol but independent of cytokines, suggesting that the endocrine system and not inflammation contributes to stress-related changes in BMI.