Abstract Selectively-bred High Responder (bHR) and Low Responder (bLR) rats model the extreme externalizing and internalizing behavior accompanying many psychiatric disorders. To elucidate gene expression underlying these heritable behavioral differences, bHRs and bLRs (generation 37) were used to produce a F 0 -F 1 -F 2 cross. We measured exploratory locomotion, anxiety-like behavior, and reward cue sensitivity (Pavlovian Conditioned Approach), and performed hippocampal RNA-Seq in male and female F 0 s (n=24) and F 2 s (n=250). Behaviors that diverged during selective breeding remained correlated in F 2 s, implying a shared genetic basis. F 0 bHR/bLR differential expression was robust, surpassing differences associated with sex, and predicted expression patterns associated with F2 behavior. With bHR-like behavior, gene sets related to growth/proliferation were upregulated, whereas with bLR-like behavior, gene sets related to mitochondrial function, oxidative stress, and microglial activation were upregulated. This differential expression could be successfully predicted based on F0 genotype using cis-expression quantitative trait loci (cis-eQTLs) identified in the F2s. Colocalization of these cis-eQTLs with behavioral Quantitative Trait Loci pinpointed 16 differentially expressed genes that were strong candidates for mediating the influence of genetic variation on behavioral temperament. Our findings implicate hippocampal bioenergetic regulation of oxidative stress, microglial activation, and growth-related processes in shaping behavioral temperament, modulating vulnerability to psychiatric disorders.

Abstract Heterogeneous Stock (HS) rats are a genetically diverse outbred rat population that is widely used for studying genetics of behavioral and physiological traits. Mapping Quantitative Trait Loci (QTL) associated with transcriptional changes would help to identify mechanisms underlying these traits. We generated genotype and transcriptome data for five brain regions from 88 HS rats. We identified 21,392 cis-QTLs associated with expression and splicing changes across all five brain regions and validated their effects using allele specific expression data. We identified 80 cases where eQTLs were colocalized with genome-wide association study (GWAS) results from nine physiological traits. Comparing our dataset to human data from the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project, we found that the HS rat data yields twice as many significant eQTLs as a similarly sized human dataset. We also identified a modest but highly significant correlation between genetic regulatory variation among orthologous genes. Surprisingly, we found less genetic variation in gene regulation in HS rats relative to humans, though we still found eQTLs for the orthologs of many human genes for which eQTLs had not been found. These data are available from the RatGTEx data portal ( RatGTEx.org ) and will enable new discoveries of the genetic influences of complex traits.

Abstract Addiction is commonly defined as a chronic, relapsing disorder characterized by taking drugs in excess, compulsive drug seeking, and continued use despite harmful consequences. A key unanswered question for addiction research remains why moderate levels of drug consumption escalate to problematic patterns associated with high motivation and a compulsive-like pattern of drug use in some individuals, but not others, and how sex may affect this trajectory. However, most studies to date have had low statistical power due to low sample size and used animal models with limited genetic diversity and limited access to the drug that are often not associated with significant levels of intoxication or dependence, making it difficult to draw definitive conclusions and translate the results to human. Here we characterized addiction-like behaviors in >500 outbred heterogeneous stock (HS) rats using extended access to cocaine self-administration (6h/daily) and analyzed individual differences in escalation of intake, progressive-ratio (PR) responding, continued use despite adverse consequences (contingent foot shocks), and irritability-like behavior during withdrawal. Principal component analysis showed that escalation of intake, progressive ratio responding, and continued use despite adverse consequence loaded onto a single factor that was orthogonal to irritability-like behaviors. Characterization of rats in four categories of resilient, mild, moderate, and severe addiction-like phenotypes showed that females showed higher addiction-like behaviors, particularly due to a lower number of resilient individuals. These results demonstrate that escalation of intake, continued use despite adverse consequence, and progressive ratio responding are highly correlated measures of the same psychological construct when tested in heterogeneous rats with a history of extended access to the drug, and suggest that a significant proportion of males, but not females may be resilient to addiction-like behaviors.

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.

Abstract Sensitivity to cocaine and its associated stimuli (“cues”) are important factors in the development and maintenance of addiction. Rodent studies suggest that this sensitivity is related, in part, to the propensity to attribute incentive salience to food cues, which, in turn, contributes to the maintenance of cocaine self-administration, and cue-induced relapse of drug-seeking. Whereas each of these traits has established links to drug use, the relatedness between the individual traits themselves has not been well characterized in preclinical models. To this end, the propensity to attribute incentive salience to a food cue was first assessed in a large population of 2716 outbred heterogeneous stock rats. We then determined whether this was associated with performance in two paradigms (cocaine conditioned cue preference and cocaine contextual conditioning). These measure the unconditioned locomotor effects of cocaine, as well as conditioned approach and the locomotor response to a cocaine-paired floor or context. There was large individual variability and sex differences among all traits, but they were largely independent of one another in both males and females. These findings suggest that these traits may contribute to drug-use via independent underlying neuropsychological processes.

Abstract The amygdala processes positive and negative valence and contributes to the development of addiction, but the underlying cell type-specific gene regulatory programs are unknown. We generated an atlas of single nucleus gene expression and chromatin accessibility in the amygdala of outbred rats with low and high cocaine addiction-like behaviors following prolonged abstinence. Between rats with different addiction indexes, we identified thousands of cell type-specific differentially expressed genes enriched for energy metabolism-related pathways that are known to affect synaptic transmission and action potentials. Rats with high addiction-like behaviors showed enhanced GABAergic transmission in the amygdala, which, along with relapse-like behaviors, were reversed by inhibition of Glyoxalase 1, which metabolizes the GABA A receptor agonist methylglyoxal. Finally, we identified thousands of cell type-specific chromatin accessible sites and transcription factor (TF) motifs where accessibility was associated with addiction index, most notably at motifs for pioneer TFs in the Fox, Sox, helix-loop-helix, and AP1 families.

Abstract Common genetic factors likely contribute to multiple psychiatric diseases including mood and substance use disorders. Certain stable, heritable traits reflecting temperament, termed externalizing or internalizing, play a large role in modulating vulnerability to these disorders. To model these heritable tendencies, we selectively bred rats for high and low exploration in a novel environment (bred High Responders (bHR) vs. Low Responders (bLR)). To identify genes underlying the response to selection, we phenotyped and genotyped 558 rats from an F 2 cross between bHR and bLR. Several behavioral traits show high heritability, including the selection trait: exploratory locomotion (EL) in a novel environment. There were significant phenotypic and genetic correlations between tests that capture facets of EL and anxiety. There were also correlations with Pavlovian conditioned approach (PavCA) behavior despite the lower heritability of that trait. Ten significant and conditionally independent loci for six behavioral traits were identified. Five of the six traits reflect different facets of EL that were captured by three behavioral tests. Distance traveled measures from the open field and the elevated plus maze map onto different loci, thus may represent different aspects of novelty-induced locomotor activity. The sixth behavioral trait, number of fecal boli, is the only anxiety-related trait mapping to a significant locus on chromosome 18 within which the Pik3c3 gene is located. There were no significant loci for PavCA. We identified a missense variant in the Plekhf1 gene on the chromosome 1:95 Mb QTL and Fancf and Gas2 as potential candidate genes that may drive the chromosome 1:107 Mb QTL for EL traits. The identification of a locomotor activity-related QTL on chromosome 7 encompassing the Pkhd1l1 and Trhr genes is consistent with our previous finding of these genes being differentially expressed in the hippocampus of bHR vs. bLR rats. The strong heritability coupled with identification of several loci associated with exploratory locomotion and emotionality provide compelling support for this selectively bred rat model in discovering relatively large effect causal variants tied to elements of internalizing and externalizing behaviors inherent to psychiatric and substance use disorders.

Organisms must regulate their behavior flexibly in the face of environmental challenges. Failure can lead to a host of maladaptive behavioral traits associated with a range of neuropsychiatric disorders, including attention deficit hyperactivity disorder, autism, and substance use disorders. This maladaptive dysregulation of behavior is influenced by genetic and environmental factors. For example, environmental enrichment produces beneficial neurobehavioral effects in animal models of such disorders. The present study determined the effects of environmental enrichment on a range of measures related to behavioral regulation using a large cohort of male, outbred heterogeneous stock (HS) rats as subjects to mimic the genetic variability found in the human population. Subjects were reared from late adolescence onwards either in pairs in standard housing with minimal enrichment (n=200) or in groups of 16 in a highly enriched environment consisting of a large multi-level cage filled with toys, running wheels, and shelters (n=64). Rats were subjected to a battery of tests, including: (i) locomotor response to novelty, (iI) light reinforcement, (iii) social reinforcement, (iv) reaction time, (v) a patch-depletion foraging test, (vi) Pavlovian conditioned approach, (vii) conditioned reinforcement, and (viii) cocaine conditioned cue preference. Results indicated that rats housed in the enriched environment were able to filter out irrelevant stimuli more effectively and thereby regulate their behavior more efficiently than standard-housing rats. The dramatic impact of environmental enrichment suggests that behavioral studies using standard housing conditions may not generalize to more complex environments that may be more ethologically relevant.

Behavioral diversity is critical for population fitness. Individual differences in risk-taking are observed across species, but underlying genetic mechanisms and conservation are largely unknown. We examined dark avoidance in larval zebrafish, a motivated behavior reflecting an approach-avoidance conflict. Brain-wide calcium imaging revealed significant neural activity differences between approach-inclined versus avoidance-inclined individuals. We used a population of ∼6,000 to perform the first genome-wide association study (GWAS) in zebrafish, which identified 34 genomic regions harboring many genes that are involved in synaptic transmission and human psychiatric diseases. We used CRISPR to study several causal genes: serotonin receptor-1b ( htr1b ), nitric oxide synthase-1 ( nos1 ), and stress-induced phosphoprotein-1 ( stip1 ). We further identified 52 conserved elements containing 66 GWAS significant variants. One encoded an exonic regulatory element that influenced tissue-specific nos1 expression. Together, these findings reveal new genetic loci and establish a powerful, scalable animal system to probe mechanisms underlying motivation, a critical dimension of psychiatric diseases.

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.