212 resultados para epigenetics


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Genetic and environmental factors interact to influence vulnerability for internalizing psychopathology, including Major Depressive Disorder (MDD). The mechanisms that account for how environmental stress can alter biological systems are not yet well understood yet are critical to develop more accurate models of vulnerability and targeted interventions. Epigenetic influences, and more specifically, DNA methylation, may provide a mechanism by which stress could program gene expression, thereby altering key systems implicated in depression, such as frontal-limbic circuitry and its critical role in emotion regulation. This thesis investigated the role of environmental factors from infancy and throughout the lifespan affecting the serotonergic (5-HT) system in the vulnerability to and treatment of depression and anxiety and potential underlying DNA methylation processes. First, we investigated the contributions of additive genetic vs. environmental factors on an early trait phenotype for depression (negative emotionality) in infants and their stability over time in the first 2 years of life. We provided evidence of the substantial contributions of both genetic and shared environmental factors to this trait, as well as genetically- and environmentally- mediated stability and innovation. Second, we studied how childhood environmental stress is associated with peripheral DNA methylation of the serotonin transporter gene, SLC6A4, as well as long-term trajectories of internalizing behaviours. There was a relationship between childhood psychosocial adversity and SLC6A4 methylation in males, as well as between SLC6A4 methylation and internalizing trajectory in both sexes. Third, we investigated changes in emotion processing and epigenetic modification of the SLC6A4 gene in depressed adolescents before and after Mindfulness-Based Cognitive Therapy (MBCT). The alterations from pre- to post-treatment in connectivity between the ACC and other network regions and SLC6A4 methylation suggested that MBCT may work to optimize the connectivity of brain networks involved in cognitive control of emotion as well as also normalize the relationship between SLC6A4 methylation and activation patterns in frontal-limbic circuitry. Our results from these three studies strengthen the theory that environmental influences are critical in establishing early vulnerability factors for MDD, driving epigenetic processes, and altering brain processes as an individual undergoes treatment, or experiences relapse.

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BACKGROUND: Hematopoietic stem cell renewal and differentiation are regulated through epigenetic processes. The conversion of 5-methylcytosine into 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by ten-eleven-translocation enzymes provides new insights into the epigenetic regulation of gene expression during development. Here, we studied the potential gene regulatory role of 5hmC during human hematopoiesis.

RESULTS: We used reduced representation of 5-hydroxymethylcytosine profiling (RRHP) to characterize 5hmC distribution in CD34+ cells, CD4+ T cells, CD19+ B cells, CD14+ monocytes and granulocytes. In all analyzed blood cell types, the presence of 5hmC at gene bodies correlates positively with gene expression, and highest 5hmC levels are found around transcription start sites of highly expressed genes. In CD34+ cells, 5hmC primes for the expression of genes regulating myeloid and lymphoid lineage commitment. Throughout blood cell differentiation, intragenic 5hmC is maintained at genes that are highly expressed and required for acquisition of the mature blood cell phenotype. Moreover, in CD34+ cells, the presence of 5hmC at enhancers associates with increased binding of RUNX1 and FLI1, transcription factors essential for hematopoiesis.

CONCLUSIONS: Our study provides a comprehensive genome-wide overview of 5hmC distribution in human hematopoietic cells and new insights into the epigenetic regulation of gene expression during human hematopoiesis.

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Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.

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Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

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Abstract for 24th Biennial Congress of the European Association for Cancer Research, 9–12 July 2016, Manchester, UK. Poster Session: Cancer Genomics, Epigenetics and Genome Instability II: Monday 11 July 2016

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Oocytes are arrested for long periods of time in the prophase of the first meiotic division (prophase I). As chromosome condensation poses significant constraints to gene expression, the mechanisms regulating transcriptional activity in the prophase I-arrested oocyte are still not entirely understood. We hypothesized that gene expression during the prophase I arrest is primarily epigenetically regulated. Here we comprehensively define the Drosophila female germ line epigenome throughout oogenesis and show that the oocyte has a unique, dynamic and remarkably diversified epigenome characterized by the presence of both euchromatic and heterochromatic marks. We observed that the perturbation of the oocyte's epigenome in early oogenesis, through depletion of the dKDM5 histone demethylase, results in the temporal deregulation of meiotic transcription and affects female fertility. Taken together, our results indicate that the early programming of the oocyte epigenome primes meiotic chromatin for subsequent functions in late prophase I.

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Placenta, as the sole transport mechanism between mother and fetus, links the maternal physical state and the immediate and life-long outcomes of the offspring. The present study examined the mechanisms behind the effect of maternal obesity on placental lipid accumulation and metabolism. Pregnant Obese Prone (OP) and Obese Resistant (OR) rat strains were fed a control diet throughout gestation. Placentas were collected on gestational d21 for analysis and frozen placental sections were analyzed for fat accumulation as well as β-Catenin and Dkk1 localization. Additionally, DKK1 was overexpressed in JEG3 trophoblast cells, followed by treatment with NEFA and Oil Red O stain quantification and mRNA analysis to determine the relationship between placental DKK1 and lipid accumulation. Maternal plasma and placental NEFA and TG were elevated in OP dams, and offspring of OP dams were smaller than OR. Placental Dkk1 mRNA content was 4-fold lower in OP placentas, and there was a significant increase in β-Catenin accumulation as well as mRNA content of fat transport and TG synthesis enzymes, including Ppar-delta, Fatp1, Fat/Cd36, Lipin1, and Lipin3. There was significant lipid accumulation within the decidual zones in OP but not OR placentas, and the thickness of the decidual and junctional zones was significantly smaller in OP than OR placentas. Overexpression of DKK1 in JEG3 cells decreased lipid accumulation and the mRNA content of PPAR-Delta, FATP1, FAT/CD36, LIPIN1, and LIPIN3. Our results indicate that Dkk1 may be regulating placental lipid metabolism through Wnt-mediated mechanisms. Additionally, recent studies have suggested that maternal obesity may also program early development of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), rates of which have correlated with the increase in the obesity epidemic. In the current study, livers of OP offspring had significantly increased TG content (P<0.05) and lipid accumulation when compared to offspring of OR dams. Additionally, hepatic Dkk1 mRNA content was significantly decreased in OP livers when compared to OR (P<0.05), and treating H4IIECR rat hepatocyte cells with NEFA showed that Dkk1 mRNA was also decreased in NEFA-treated cells (P<0.05) that also had lipid accumulation. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) analysis of the Dkk1 promoter in fetal livers showed a pattern of histone modifications associated with decreased gene transcription in OP offspring, which agrees with our gene expression data. These results demonstrate that the hepatic Dkk1 gene is epigenetically regulated via histone modification in neonatal offspring in the current model of gestational obesity, and future studies will be needed to determine whether these changes contribute to excessive hepatic lipid accumulation in offspring of obese dams.

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La variation phénotypique est essentielle à la persistance des organismes dans le temps ainsi qu’à la colonisation de nouveaux habitats. Les principales sources de variation phénotypique sont la génétique et l'épigénétique. L'épigénétique a été proposé comme un atout important pour les organismes asexués pour compenser le manque de diversité génétique. L'objectif de cette étude est d'évaluer si l’absence de variation génétique est compensée par l'épigénétique en comparant les profils de méthylation d’individus gynogènes et kleptogènes des hybrides de salamandre à points bleus. Les individus échantillonnés s’organisent en cinq groupes génétiquement différenciés, provenant du même haplome paternel A. jeffersonianum. Deux des cinq groupes sont exclusivement gynogènes, pour des raisons écologiques ou génomiques. Les trois autres groupes sont formés d’individus parfois kleptogènes, car ils présentent une variation génétique plus élevée au sein d’un site qu’entre les sites, en plus de porter des allèles très divergents par rapport à la distribution globale des allèles hybrides, trouvés en haute fréquence dans les populations sympatriques de A. laterale. Les patrons épigénétiques sont variables et distincts entre les cinq groupes génétiques. Les groupes gynogènes sont les seuls à présenter un effet environnemental significatif sur leurs patrons épigénétiques, suggérant que ces individus clonaux doivent être en mesure de maximiser leur potentiel de variation épigénétique pour faire face à des variations environnementales.

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Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.

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Friedreich's ataxia (FRDA) is the most common autosomal recessive hereditary ataxia in Caucasians. Neurological symptoms dominate the clinical picture. The underlying neuropathology affects the dorsal root ganglia, the spinal cord, and the deep cerebellar nuclei. In addition, most cases present a hypertrophic cardiomyopathy that may cause premature death. Other problems include a high risk of diabetes, skeletal abnormalities such as kyphoscoliosis, and pes cavus. Most patients carry a homozygous expansion of GAA trinucleotide repeat within the first intron of the FXN gene, leading to repressed transcription through epigenetic mechanisms. The encoded protein, frataxin, is localized in mitochondria and participates in the biogenesis of iron-sulfur clusters. Frataxin deficiency leads to mitochondrial dysfunction, altered iron metabolism, and oxidative damage. Thanks to progress in understanding pathogenesis and to the development of animal and cellular models, therapies targeted to correct frataxin deficiency or its downstream consequences are being developed and tested in clinical trials.

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Normal skeletal muscle metabolism is essential for whole body metabolic homoeostasis and disruptions in muscle metabolism are associated with a number of chronic diseases. Transcriptional control of metabolic enzyme expression is a major regulatory mechanism for muscle metabolic processes. Substantial evidence is emerging that highlights the importance of epigenetic mechanisms in this process. This review will examine the importance of epigenetics in the regulation of muscle metabolism, with a particular emphasis on DNA methylation and histone acetylation as epigenetic control points. The emerging cross-talk between metabolism and epigenetics in the context of health and disease will also be examined. The concept of inheritance of skeletal muscle metabolic phenotypes will be discussed, in addition to emerging epigenetic therapies that could be used to alter muscle metabolism in chronic disease states.

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Accumulating evidence, from animal models and human observational studies, implicates the in utero (and early postnatal) environment in the 'programming' of risk for a variety of adverse outcomes and health trajectories. The modern environment is replete with man-made compounds such as plastic product chemicals (PPC), including phenols and phthalates. Evidence from several human cohorts implicates exposure to these chemicals in adverse offspring neurodevelopment, though a direct causal relationship has not been firmly established. In this review we consider a potential causal pathway that encompasses epigenetic human variation, and how we might test this mechanistic hypothesis in human studies. In the first part of this report we outline how PPCs induce epigenetic change, focusing on the brain derived neurotrophic factor (BDNF) gene, a key regulator of neurodevelopment. Further, we discuss the role of the epigenetics of BDNF and other genes in neurodevelopment and the emerging human evidence of an association between phthalate exposure and adverse offspring neurodevelopment. We discuss aspects of epidemiological and molecular study design and analysis that could be employed to strengthen the level of human evidence to infer causality. We undertake this using an exemplar recent research example: maternal prenatal smoking, linked to methylation change at the aryl hydrocarbon receptor repressor (AHRR) gene at birth, now shown to mediate some of the effects of maternal smoking on birth weight. Characterizing the relationship between the modern environment and the human molecular pathways underpinning its impact on early development is paramount to understanding the public health significance of modern day chemical exposures.

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Thesis (Ph.D, Psychology) -- Queen's University, 2016-10-04 17:37:07.888

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Parkinson’s disease (PD) is a common, progressive neurodegenerative disease characterised by degeneration of nigrostriatal dopaminergic neurons, aggregation of α-synuclein and motor symptoms. Current dopamine-replacement strategies provide symptomatic relief, however their effectiveness wear off over time and their prolonged use leads to disabling side-effects in PD patients. There is therefore a critical need to develop new drugs and drug targets to protect dopaminergic neurons and their axons from degeneration in PD. Over recent years, there has been robust evidence generated showing that epigenetic dysregulation occurs in PD patients, and that epigenetic modulation is a promising therapeutic approach for PD. This article first discusses the present evidence implicating global, and dopaminergic neuron-specific, alterations in the methylome in PD, and the therapeutic potential of pharmacologically targeting the methylome. It then focuses on another mechanism of epigenetic regulation, histone acetylation, and describes how the histone acetyltransferase (HAT) and histone deacetylase (HDAC) enzymes that mediate this process are attractive therapeutic targets for PD. It discusses the use of activators and/or inhibitors of HDACs and HATs in models of PD, and how these approaches for the selective modulation of histone acetylation elicit neuroprotective effects. Finally, it outlines the potential of employing small molecule epigenetic modulators as neuroprotective therapies for PD, and the future research that will be required to determine and realise this therapeutic potential.

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Researchers interested in the neurobiology of the acute stress response in humans require a valid and reliable acute stressor that can be used under experimental conditions. The Trier Social Stress Test (TSST) provides such a testing platform. It induces stress by requiring participants to make an interview-style presentation, followed by a surprise mental arithmetic test, in front of an interview panel who do not provide feedback or encouragement. In this review, we outline the methodology of the TSST, and discuss key findings under conditions of health and stress-related disorder. The TSST has unveiled differences in males and females, as well as different age groups, in their neurobiological response to acute stress. The TSST has also deepened our understanding of how genotype may moderate the cognitive neurobiology of acute stress, and exciting new inroads have been made in understanding epigenetic contributions to the biological regulation of the acute stress response using the TSST. A number of innovative adaptations have been developed which allow for the TSST to be used in group settings, with children, in combination with brain imaging, and with virtual committees. Future applications may incorporate the emerging links between the gut microbiome and the stress response. Future research should also maximise use of behavioural data generated by the TSST. Alternative acute stress paradigms may have utility over the TSST in certain situations, such as those that require repeat testing. Nonetheless, we expect that the TSST remains the gold standard for examining the cognitive neurobiology of acute stress in humans.