Brain-region-specific RNA-seq from humans with major depressive disorder reveals unique transcriptomic profiles in males and females, with little overlap. Major depressive disorder (MDD) is a leading cause of disease burden worldwide. While the incidence, symptoms and treatment of MDD all point toward major sex differences, the molecular mechanisms underlying this sexual dimorphism remain largely unknown. Here, combining differential expression and gene coexpression network analyses, we provide a comprehensive characterization of male and female transcriptional profiles associated with MDD across six brain regions. We overlap our human profiles with those from a mouse model, chronic variable stress, and capitalize on converging pathways to define molecular and physiological mechanisms underlying the expression of stress susceptibility in males and females. Our results show a major rearrangement of transcriptional patterns in MDD, with limited overlap between males and females, an effect seen in both depressed humans and stressed mice. We identify key regulators of sex-specific gene networks underlying MDD and confirm their sex-specific impact as mediators of stress susceptibility. For example, downregulation of the female-specific hub gene Dusp6 in mouse prefrontal cortex mimicked stress susceptibility in females, but not males, by increasing ERK signaling and pyramidal neuron excitability. Such Dusp6 downregulation also recapitulated the transcriptional remodeling that occurs in prefrontal cortex of depressed females. Together our findings reveal marked sexual dimorphism at the transcriptional level in MDD and highlight the importance of studying sex-specific treatments for this disorder.

Activity-dependent rapid structural and functional modifications of central excitatory synapses contribute to synapse maturation, experience-dependent plasticity, and learning and memory and are associated with neurodevelopmental and psychiatric disorders. However, the signal transduction mechanisms that link glutamate receptor activation to intracellular effectors that accomplish structural and functional plasticity are not well understood. Here we report that NMDA receptor activation in pyramidal neurons causes CaMKII-dependent phosphorylation of the guanine-nucleotide exchange factor (GEF) kalirin-7 at residue threonine 95, regulating its GEF activity, leading to activation of small GTPase Rac1 and rapid enlargement of existing spines. Kalirin-7 also interacts with AMPA receptors and controls their synaptic expression. By demonstrating that kalirin expression and spine localization are required for activity-dependent spine enlargement and enhancement of AMPAR-mediated synaptic transmission, our study identifies a signaling pathway that controls structural and functional spine plasticity.

Abstract Although both males and females become addicted to cocaine, females transition to addiction faster and experience greater difficulties remaining abstinent. We demonstrate an oestrous cycle-dependent mechanism controlling increased cocaine reward in females. During oestrus, ventral tegmental area (VTA) dopamine neuron activity is enhanced and drives post translational modifications at the dopamine transporter (DAT) to increase the ability of cocaine to inhibit its function, an effect mediated by estradiol. Female mice conditioned to associate cocaine with contextual cues during oestrus have enhanced mesolimbic responses to these cues in the absence of drug. Using chemogenetic approaches, we increase VTA activity to mechanistically link oestrous cycle-dependent enhancement of VTA firing to enhanced cocaine affinity at DAT and subsequent reward processing. These data have implications for sexual dimorphism in addiction vulnerability and define a mechanism by which cellular activity results in protein alterations that contribute to dysfunctional learning and reward processing.

Decreased medial prefrontal cortex (mPFC) neuronal activity is associated with social defeat-induced depression- and anxiety-like behaviors in mice. However, the molecular mechanisms underlying the decreased mPFC activity and its prodepressant role remain unknown. We show here that induction of the transcription factor ΔFosB in mPFC, specifically in the prelimbic (PrL) area, mediates susceptibility to stress. ΔFosB induction in PrL occurred selectively in susceptible mice after chronic social defeat stress, and overexpression of ΔFosB in this region, but not in the nearby infralimbic (IL) area, enhanced stress susceptibility. ΔFosB produced these effects partly through induction of the cholecystokinin (CCK)-B receptor: CCKB blockade in mPFC induces a resilient phenotype, whereas CCK administration into mPFC mimics the anxiogenic- and depressant-like effects of social stress. We previously found that optogenetic stimulation of mPFC neurons in susceptible mice reverses several behavioral abnormalities seen after chronic social defeat stress. Therefore, we hypothesized that optogenetic stimulation of cortical projections would rescue the pathological effects of CCK in mPFC. After CCK infusion in mPFC, we optogenetically stimulated mPFC projections to basolateral amygdala or nucleus accumbens, two subcortical structures involved in mood regulation. Stimulation of corticoamygdala projections blocked the anxiogenic effect of CCK, although no effect was observed on other symptoms of social defeat. Conversely, stimulation of corticoaccumbens projections reversed CCK-induced social avoidance and sucrose preference deficits but not anxiogenic-like effects. Together, these results indicate that social stress-induced behavioral deficits are mediated partly by molecular adaptations in mPFC involving ΔFosB and CCK through cortical projections to distinct subcortical targets.

The effects of repeated stress on cognitive impairment are thought to be mediated, at least in part, by reductions in the stability of dendritic spines in brain regions critical for proper learning and memory, including the hippocampus. Small GTPases are particularly potent regulators of dendritic spine formation, stability, and morphology in hippocampal neurons. Through the use of small GTPase protein profiling in mice, we identify increased levels of synaptic Rap1 in the hippocampal CA3 region in response to escalating, intermittent stress. We then demonstrate that increased Rap1 in the CA3 is sufficient in and of itself to produce stress-relevant dendritic spine and cognitive phenotypes. Further, using super-resolution imaging, we investigate how the pattern of Rap1 trafficking to synapses likely underlies its effects on the stability of select dendritic spine subtypes. These findings illuminate the involvement of aberrant Rap1 regulation in the hippocampus in contributing to the psychobiological effects of stress.

ABSTRACT Sleep apnea (SA) during pregnancy is detrimental to the health of the pregnancy and neonate, but little is known regarding long-lasting consequences of maternal SA during pregnancy on adult offspring. SA is characterized by repeated cessations in breathing during sleep, resulting in intermittent hypoxia (IH). We show that gestational IH (GIH) in rats reprograms the male fetal neuroimmune system toward enhanced inflammation in a region- and sex-specific manner, which persists into adulthood. Male GIH offspring also had deficits in the neural control of breathing, specifically in the ability to mount compensatory responses to central apnea, an effect that was rescued by a localized anti-inflammatory or microglial depletion. Female GIH offspring appeared unaffected. These results indicate that SA during pregnancy sex- and region-dependently skews offspring microglia toward a pro-inflammatory phenotype, which leads to long-lasting deficits in the capacity to elicit important forms of respiratory neuroplasticity in response to breathing instability. These studies contribute to the growing body of recent evidence indicating that SA during pregnancy may lead to sex-specific neurological deficits in offspring that persist into adulthood.

Expression of the FosB gene has been studied extensively in many fields using a variety of tools. However, previous techniques have had a variety of caveats, from potential off-target effects (e.g., overexpression of FosB, ΔFosB, or a dominant negative mutant of JunD, termed ΔJunD) or confounding developmental effects (e.g., the constitutive FosB knockout mouse). Therefore, we sought to create a floxed FosB mouse line that will allow true silencing of the FosB gene with both spatial and temporal control. Here, we detail the cloning strategy, production, and validation of the floxed FosB mouse. We demonstrate methodology for breeding and genotyping, and show that viral-mediated expression of Cre recombinase in a targeted, discrete brain region ablates expression of the FosB gene in floxed but not wild type mice. Thus, the floxed FosB mouse presented here represents an important new tool for the continued investigation of this critical gene.