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 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 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.

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.

Both emotional and social traits interact with genetic factors to influence smoking behavior. We previously established a socially acquired nicotine intravenous self-administration model where social learning of a nicotine-associated odor cue reversed conditioned flavor aversion and promoted nicotine intake. In this study, we first phenotyped approximately 800 adolescent heterogeneous stock rats in open field, novel object interaction, social interaction, elevated plus maze, and marble bury behaviors. These rats were then phenotyped on socially acquired nicotine self-administration. We found 243 significant correlations between different behavioral tests. Principal component regression analysis found that approximately 10-20% of the variance in nicotine-related measures, such as intake during the first or the last three fixed-ratio sessions, the progressive ratio session, and reinstatement behavior, can be explained by variations in behavioral traits. Factors corresponding to social behavior and anxiety were among the strongest predictors of nicotine intake and reinstatement of nicotine-seeking behavior. We also found many sex differences in behavioral measures. These data indicated that the genetic diversity of this population, in combination with social behavior and anxiety, are significant contributors to the divergent nicotine self-administration behavior and indicated a high probability of discovering sex-specific genetic mechanisms for nicotine intake in future genome-wide association studies.

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.

Abstract Addiction vulnerability is associated with the tendency to attribute incentive salience to reward predictive cues; both addiction and the attribution of incentive salience are influenced by environmental and genetic factors. To characterize the genetic contributions to incentive salience attribution, we performed a genome-wide association study (GWAS) in a cohort of 1,645 genetically diverse heterogeneous stock (HS) rats. We tested HS rats in a Pavlovian conditioned approach task, in which we characterized the individual responses to food-associated stimuli (“cues”). Rats exhibited either cue-directed “sign-tracking” behavior or food-cup directed “goal-tracking” behavior. We then used the conditioned reinforcement procedure to determine whether rats would perform a novel operant response for unrewarded presentations of the cue. We found that these measures were moderately heritable (SNP heritability, h 2 = .189-.215). GWAS identified 14 quantitative trait loci (QTLs) for 11 of the 12 traits we examined. Interval sizes of these QTLs varied widely. 7 traits shared a QTL on chromosome 1 that contained a few genes ( e.g. Tenm4 , Mir708 ) that have been associated with substance use disorders and other mental health traits in humans. Other candidate genes ( e.g. Wnt11, Pak1 ) in this region had coding variants and expression-QTLs in mesocorticolimbic regions of the brain. We also conducted a Phenome-Wide Association Study (PheWAS) on other behavioral measures in HS rats and found that regions containing QTLs on chromosome 1 were also associated with nicotine self-administration in a separate cohort of HS rats. These results provide a starting point for the molecular genetic dissection of incentive salience and provide further support for a relationship between attribution of incentive salience and drug abuse-related traits.

Abstract Age-related hearing impairment is the most common cause of hearing loss and is one of the most prevalent conditions affecting the elderly globally. It is influenced by a combination of environmental and genetic factors. The mouse and human inner ears are functionally and genetically homologous. Investigating the genetic basis of age-related hearing loss (ARHL) in an outbred mouse model may lead to a better understanding of the molecular mechanisms of this condition. We used Carworth Farms White (CFW) outbred mice, because they are genetically diverse and exhibit variation in the onset and severity of ARHL. The goal of this study was to identify genetic loci involved in regulating ARHL. Hearing at a range of frequencies was measured using Auditory Brainstem Response (ABR) thresholds in 946 male and female CFW mice at the age of 1, 6, and 10 months. We obtained genotypes at 4.18 million single nucleotide polymorphisms (SNP) using low-coverage (mean coverage 0.27x) whole-genome sequencing followed by imputation using STITCH. To determine the accuracy of the genotypes we sequenced 8 samples at >30x coverage and used calls from those samples to estimate the discordance rate, which was 0.45%. We performed genetic analysis for the ABR thresholds for each frequency at each age, and for the time of onset of deafness for each frequency. The SNP heritability ranged from 0 to 42% for different traits. Genome-wide association analysis identified several regions associated with ARHL that contained potential candidate genes, including Dnah11 , Rapgef5 , Cpne4 , Prkag2 , and Nek11 . We confirmed, using functional study, that Prkag2 deficiency causes age-related hearing loss at high frequency in mice; this makes Prkag2 a candidate gene for further studies. This work helps to identify genetic risk factors for ARHL and to define novel therapeutic targets for the treatment and prevention of ARHL.