Abstract We developed a framework for identifying trait-associated genes in rats and facilitating the transfer of polygenic evidence across species by expanding the transcriptome-wide association (TWAS) approach to rats. Our analysis successfully trained transcript predictors for over 8000 genes in each of the five brain regions of rats, revealing several shared properties of gene regulation with humans. Moreover, mirroring trends observed in humans, our findings showed that sparse predictors using variants in cis are more effective than polygenic predictors and that gene expression prediction in rats is highly correlated across brain regions. Importantly, our analysis also identified a significant overlap between genes associated with rat and human body length and BMI, indicating rat models may be useful for studying the genetic basis of complex traits in humans. RatXcan represents a valuable tool for uncovering shared biological mechanisms of complex traits across species, with potential applications in a wide range of research fields.

Affordable sequencing and genotyping methods are essential for large scale genome-wide association studies. While genotyping microarrays and reference panels for imputation are available for human subjects, non-human model systems often lack such options. Our lab previously demonstrated an efficient and cost-effective method to genotype heterogeneous stock rats using double-digest genotyping-by-sequencing. However, low-coverage whole-genome sequencing offers an alternative method that has several advantages. Here, we describe a cost-effective, high-throughput, high-accuracy genotyping method for N/NIH heterogeneous stock rats that can use a combination of sequencing data previously generated by double-digest genotyping-by-sequencing and more recently generated by low-coverage whole-genome-sequencing data. Using double-digest genotyping-by-sequencing data from 5,745 heterogeneous stock rats (mean 0.21x coverage) and low-coverage whole-genome-sequencing data from 8,760 heterogeneous stock rats (mean 0.27x coverage), we can impute 7.32 million bi-allelic single-nucleotide polymorphisms with a concordance rate >99.76% compared to high-coverage (mean 33.26x coverage) whole-genome sequencing data for a subset of the same individuals. Our results demonstrate the feasibility of using sequencing data from double-digest genotyping-by-sequencing or low-coverage whole-genome-sequencing for accurate genotyping, and demonstrate techniques that may also be useful for other genetic studies in non-human subjects.

Delay discounting refers to the behavioral tendency to devalue rewards as a function of their delay in receipt. Heightened delay discounting has been associated with substance use disorders and multiple co-occurring psychopathologies. Human and animal genetic studies have established that delay discounting is heritable, but only a few associated genes have been identified. We aimed to identify novel genetic loci associated with delay discounting through a genome-wide association study (GWAS) using Heterogeneous Stock (HS) rats, a genetically diverse outbred population derived from eight inbred founder strains. We assessed delay discounting in 650 male and female HS rats using an adjusting amount procedure in which rats chose between smaller immediate sucrose rewards or a larger reward at various delays. Preference switch points were calculated and both exponential and hyperbolic functions were fitted to these indifference points. Area under the curve (AUC) and the discounting parameter k of both functions were used as delay discounting measures. GWAS for AUC, exponential k, and one indifference point identified significant loci on chromosomes 20 and 14. The gene Slc35f1, which encodes a member of the solute carrier family, was the sole gene within the chromosome 20 locus. That locus also contained an eQTL for Slc35f1, suggesting that heritable differences in the expression might be responsible for the association with behavior. Adgrl3, which encodes a latrophilin subfamily G-protein coupled receptor, was the sole gene within the chromosome 14 locus. These findings implicate novel genes in delay discounting and highlight the need for further exploration.

The seventh iteration of the reference genome assembly for Rattus norvegicus, mRatBN7.2, corrects numerous misplaced segments and reduces base-level errors by approximately 9-fold and increases contiguity by 290-fold compared to its predecessor. Gene annotations are now more complete, significantly improving the mapping precision of genomic, transcriptomic, and proteomics data sets. We jointly analyzed 163 short-read whole genome sequencing datasets representing 120 laboratory rat strains and substrains using mRatBN7.2. We defined ~20.0 million sequence variations, of which 18.7 thousand are predicted to potentially impact the function of 6,677 genes. We also generated a new rat genetic map from 1,893 heterogeneous stock rats and annotated transcription start sites and alternative polyadenylation sites. The mRatBN7.2 assembly, along with the extensive analysis of genomic variations among rat strains, enhances our understanding of the rat genome, providing researchers with an expanded resource for studies involving rats.

Human unilateral renal agenesis is a congenital urinary tract malformation. Affected individuals have only one kidney, which is often an asymptomatic developmental defect. A total of 5,585 male and female HS rats were assessed for unilateral renal agenesis and genotyped for 3,513,321 markers. The R package SAIGEgds was used for the association analysis. The adjusted p-value threshold for the association analysis determined by permutation was equal to 5.6 (-log10). Two additional datasets were used as validation tests. Population two included 1,577 rats genotyped for 7,425,889 markers and a case-control imbalance equal to 1:174; population three included 1,407 rats, genotyped for 254,932 markers and case-control ratio equal to 1:38. The python package GxTheta was used to perform a polygenic epistasis analysis for the analyzed HS rat population. A founder haplotype mosaic determination was performed using the R package QTL2. Associated regions were selected for further analysis, including long-read PacBio sequencing for founder individuals and a founder haplotype prediction test. A similarity analysis at a genomic level and for loci encoding transcription factors predicted to interact with selected sequences inside the associated loci were accomplished. A total of 1,181 polymorphisms were associated with URA. All associated polymorphisms were located on chromosome 14 between 32.9 and 36.6 Mb. The most significant polymorphism was chr14:36,411,266, a G/T transversion. The same associated region was identified in population three. Polygenic epistasis was determined as not predominant for the presentation of URA. Based on the haplotype mosaic probability estimation, cases display a higher probability of inheriting the ACI allele. The long-read sequencing analysis showed the presence of an Erv insertion inside the intron one of the KIT gene located inside the associated region. The Erv insertion comprises one Erv sequence and two Ltr sequences located downstream and upstream of the former. No Erv insertion was identified for the founder strain BN. For ACI and HSRA, only one Ltr sequence was identified. One hundred and seven genes encoding TFs that recognize binding sites on the Erv insertion were analyzed for sequence similarity against the reference HSRA. The TF similarity score analysis for the interaction genotype and phenotype showed significance after FDR correction for 20 TFs, including AHR, HNF1B, JUNB, RARG, and RXRA. A mechanism identifying URA as a threshold phenotype is suggested in HS rats. It implies the existence of a minimum threshold for the final number of nephrons and kidney associated structures required for stalling the apoptotic process of the metanephric rudiments. Animals exhibiting a quantitative cumulative defect would express URA, being this malformation identified as a phenotype with decreased penetrance in the assessed population of HS rats. All these processes are described as mediated by KIT and TFs able to interact with sequences of the Erv insertion.

Genome-wide association studies typically evaluate the autosomes and sometimes the X Chromosome, but seldom consider the Y or mitochondrial Chromosomes. We genotyped the Y and mitochondrial chromosomes in heterogeneous stock rats (Rattus norvegicus), which were created in 1984 by intercrossing eight inbred strains and have subsequently been maintained as an outbred population for 100 generations. As the Y and mitochondrial Chromosomes do not recombine, we determined which founder had contributed these chromosomes for each rat, and then performed association analysis for all complex traits (n=12,055; intersection of 12,116 phenotyped and 15,042 haplotyped rats). We found the eight founders had 8 distinct Y and 4 distinct mitochondrial Chromosomes, however only two of each were observed in our modern heterogeneous stock rat population (Generations 81-97). Despite the unusually large sample size, the p-value distribution did not deviate from expectations; there were no significant associations for behavioral, physiological, metabolome, or microbiome traits after correcting for multiple comparisons. However, both Y and mitochondrial Chromosomes were strongly associated with expression of a few genes located on those chromosomes, which provided a positive control. Our results suggest that within modern heterogeneous stock rats there are no Y and mitochondrial Chromosomes differences that strongly influence behavioral or physiological traits. These results do not address other ancestral Y and mitochondrial Chromosomes that do not appear in modern heterogeneous stock rats, nor do they address effects that may exist in other rat populations, or in other species.

Delay discounting refers to the behavioral tendency to devalue rewards as a function of their delay in receipt. Heightened delay discounting has been associated with substance use disorders, as well as multiple co-occurring psychopathologies. Genetic studies in humans and animal models have established that delay discounting is a heritable trait, but only a few specific genes have been associated with delay discounting. Here, we aimed to identify novel genetic loci associated with delay discounting through a genome-wide association study (GWAS) using Heterogenous Stock rats, a genetically diverse outbred population derived from eight inbred founder strains. We assessed delay discounting in 650 male and female rats using an adjusting amount procedure in which rats chose between smaller immediate sucrose rewards or a larger reward at variable delays. Preference switch points were calculated for each rat and both exponential and hyperbolic functions were fitted to these indifference points. Area under the curve (AUC) and the discounting parameter