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.

Severe psychological stress is one of the most potent risk factors for developing a mood or psychotic disorder, yet the underlying molecular mechanisms are poorly understood. Astrocytes are a key brain cell type associated with stress and psychiatric phenotypes in animals, but how this translates to humans is largely unknown. Here, we show that cortical astrocytes are persistently changed both physically and molecularly in humans with psychiatric disorders exposed to profound stress before diagnosis. By profiling the diversity of human astrocytes with single nucleus and spatial transcriptomics, we identified distinct alterations to glutamate-related synaptic functions, supported by histological quantification of >20,000 astrocytes. Alterations were pronounced in females compared to males and in cases exposed to profound stress during childhood. The use of human pluripotent stem cell-derived astrocytes confirmed that glutamate signalling is directly impacted by glucocorticoid activation. Our findings suggest that astrocytes are strategic pharmacological targets for future intervention strategies.

Abstract Severe stress exposure causes the loss of dendritic spines on cortical pyramidal neurons and induces psychiatric-like symptoms in rodent models. These effects are strongest following early-life stress and are most persistent on apical dendrites. However, the long-term impacts and temporal effects of stress exposure on the human brain remain poorly understood. Using a novel postmortem cohort of psychiatric cases with severe stress experienced in childhood, adulthood, or no severe stress, and matched controls, we aimed to determine the impact of stress timing on pyramidal neuron structure in the human orbitofrontal cortex (OFC). We performed Golgi Cox staining and manually measured the morphology and density of over 22,000 dendritic spines on layer-specific pyramidal neuron apical dendrites. We also quantified glucocorticoid receptor mRNA and protein as a marker of stress dysregulation. Both childhood and adulthood stress were associated with large reductions in mature mushroom spine density (up to 56% loss) in both the superficial (II/III) and deeper layers (V) of the OFC. However, childhood stress caused more substantial reductions to both total and mature mushroom spines. No difference in glucocorticoid receptor mRNA and protein were seen between groups, although both negatively correlated with total spine density within the whole cohort. These findings indicate that severe stress, especially when experienced during childhood, persistently affects the fine morphological properties of neurons in the human OFC. This may impact on cell connectivity in this brain area, and at least partly explain the social and emotional symptoms that originate in the OFC in psychiatric disorders.