For more than 16 years, we have selectively bred rats for either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These bred high-responder (bHR) and bred low-responder (bLR) rats model temperamental extremes, exhibiting large differences in internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance use disorders.We characterized persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation, by meta-analyzing 8 transcriptional profiling datasets (microarray and RNA sequencing) spanning 43 generations of selective breeding (postnatal day 7: n = 22; postnatal day 14: n = 49; postnatal day 21: n = 21; adult: n = 46; all male). We cross-referenced expression differences with exome sequencing within our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype. The results were compared with hippocampal profiling from other bred rat models.Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate multiple candidate genes, including two previously associated with metabolism and mood: Trhr and Ucp2. Results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, centering on Bmp4 and Mki67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including 2 genes within implicated chromosomal regions: C1qa and Mfge8.These candidate genes and functional pathways may direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.

Background While downregulation of several growth factors in major depressive disorder is well established, less attention has been paid to the upregulation of other growth factors. Yet, upregulated growth factors may offer better therapeutic targets. We show that connective tissue growth factor (CTGF) represents a target based on its upregulation in major depressive disorder and studies in animal models implicating it in negative affect. Methods CTGF gene expression was first evaluated in the postmortem human amygdala. The findings were followed up in outbred rats and in two rat lines that were selectively bred for differences in novelty-seeking and anxiety behavior (bred low responders and bred high responders). We studied the impact of social defeat and early-life treatment with fibroblast growth factor 2 on CTGF expression. Finally, we assessed the ability of an anti-CTGF antibody (FG-3019) to alter CTGF expression and emotionality. Results In the human amygdala, CTGF expression was significantly increased in major depressive disorder compared with control subjects. CTGF expression was also significantly increased in the dentate gyrus of adult bred low responders compared with bred high responders. Social defeat stress in bred low responders significantly increased CTGF expression in the dentate gyrus. Early-life fibroblast growth factor 2, a treatment that reduces anxiety-like behavior throughout life, decreased CTGF expression in the adult dentate gyrus. In outbred rats, CTGF administration increased depression-like behavior. Chronic treatment with FG-3019 decreased CTGF expression, and acute and chronic treatment was antidepressant. Conclusions This study is the first to implicate CTGF as a prodepressant molecule that could serve as a target for the development of novel therapeutics.

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.

Stress is a major influence on mental health status; the ways that individuals respond to or copes with stressors determine whether they are negatively affected in the future. Stress responses are established by an interplay between genetics, environment, and life experiences. Psychosocial stress is particularly impactful during adolescence, a critical period for the development of mood disorders. In this study we compared two established, selectively-bred Sprague Dawley rat lines, the "internalizing" bred Low Responder (bLR) line versus the "externalizing" bred High Responder (bHR) line, to investigate how genetic temperament and adolescent environment impact future responses to social interactions and psychosocial stress, and how these determinants of stress response interact. Male bLR and bHR rats were exposed to social and environmental enrichment in adolescence prior to experiencing social defeat and were then assessed for social interaction and anxiety-like behavior. Adolescent enrichment caused rats to display more social interaction, as well as nominally less social avoidance, less submission during defeat, and resilience to the effects of social stress on corticosterone, in a manner that seemed more notable in bLRs. For bHRs, enrichment also caused greater aggression during a neutral social encounter and nominally during defeat, and decreased anxiety-like behavior. To explore the neurobiology underlying the development of social resilience in the anxious phenotype bLRs, RNA-seq was conducted on the hippocampus and nucleus accumbens, two brain regions that mediate stress regulation and social behavior. Gene sets previously associated with stress, social behavior, aggression and exploratory activity were enriched with differential expression in both regions, with a particularly large effect on gene sets that regulate social behaviors. Our findings provide further evidence that adolescent enrichment can serve as an inoculating experience against future stressors. The ability to induce social resilience in a usually anxious line of animals by manipulating their environment has translational implications, as it underscores the feasibility of intervention strategies targeted at genetically vulnerable adolescent populations.

Abstract Transcriptional profiling has become a common tool for investigating the nervous system. During analysis, differential expression results are often compared to functional ontology databases, which contain curated gene sets representing well-studied pathways. This dependence can cause neuroscience studies to be interpreted in terms of functional pathways documented in better studied tissues ( e . g ., liver) and topics ( e . g ., cancer), and systematically emphasizes well-studied genes, leaving other findings in the obscurity of the brain “ignorome”. To address this issue, we compiled a curated database of 918 gene sets related to nervous system function, tissue, and cell types (“Brain.GMT”) that can be used within common analysis pipelines ( GSEA, limma, edgeR ) to interpret results from three species (rat, mouse, human). Brain.GMT includes brain-related gene sets curated from the Molecular Signatures Database (MSigDB) and extracted from public databases (GeneWeaver, Gemma, DropViz, BrainInABlender, HippoSeq) and published studies containing differential expression results. Although Brain.GMT is still undergoing development and currently only represents a fraction of available brain gene sets, “brain ignorome” genes are already better represented than in traditional Gene Ontology databases. Moreover, Brain.GMT substantially improves the quantity and quality of gene sets identified as enriched with differential expression in neuroscience studies, enhancing interpretation. Graphical abstract Specifications table

Transcriptional profiling has become a common tool for investigating the nervous system. During analysis, differential expression results are often compared to functional ontology databases, which contain curated gene sets representing well-studied pathways. This dependence can cause neuroscience studies to be interpreted in terms of functional pathways documented in better studied tissues (e.g.

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.

Stress is a major influence on mental health status; the ways that individuals respond to or copes with stressors determine whether they are negatively affected in the future. Stress responses are established by an interplay between genetics, environment, and life experiences. Psychosocial stress is particularly impactful during adolescence, a critical period for the development of mood disorders. In this study we compared two established, selectively-bred Sprague Dawley rat lines, the "internalizing" bred Low Responder (bLR) line versus the "externalizing" bred High Responder (bHR) line, to investigate how genetic temperament and adolescent environment impact future responses to social interactions and psychosocial stress, and how these determinants of stress response interact. Animals were exposed to social and environmental enrichment in adolescence prior to experiencing social defeat and were then assessed for social interaction and anxiety-like behavior. Adolescent enrichment caused bLR rats to display less social avoidance, more social interaction, less submission during defeat, and resilience to the prolonged effects of social stress on corticosterone, while enrichment caused bHR animals to show greater aggression during defeat and during a neutral social encounter, and decreased anxiety-like behavior. To gain insight into the development of social resilience in the anxious phenotype bLRs, RNA-seq was conducted on the hippocampus and nucleus accumbens, two brain regions that mediate stress regulation and social behavior. Gene sets previously associated with stress, social behavior, aggression and exploratory activity were enriched with differential expression in both regions, with a particularly large effect on gene sets that regulate social behaviors. These findings provide further evidence that adolescent enrichment can serve as an inoculating experience against future stressors. The ability to induce social resilience in a usually anxious line of animals by manipulating their environment has translational implications, as it underscores the feasibility of intervention strategies targeted at genetically vulnerable adolescent populations.

Abstract While early life drug use reliably predicts addiction liability in adulthood, the molecular mechanism by which this occurs, and the degree genetic predisposition is involved is not known. We used a unique genetic rat model of temperament to determine the impact of adolescent cocaine experience on adult psychomotor sensitization and epigenetic profiles in the striatum. Relative to adult bred low-responder (bLR) rats, bred high-responders (bHR) are more sensitive to the psychomotor-activating effects of cocaine and reinstate drug-seeking behavior more readily following prolonged cocaine exposure and a period of abstinence. We found that a 7-day sensitizing cocaine regimen (15 mg/kg/day) during either adolescence or adulthood produced psychomotor sensitization in bHRs only, while a dual cocaine exposure prevents further sensitization, suggesting limits on neuroplasticity. By contrast, adolescent cocaine in bLRs shifted their resilient phenotype, rendering them more responsive to cocaine in adulthood when initially challenged with cocaine We then assessed two functionally opposite epigenetic chromatin modifications, previously implicated in addiction liability, permissive acetylation (ac) and repressive tri-methylation (me3), on histone 3 lysine 9 (H3K9) in four sub-regions of the striatum. In bHRs, decreased repressive histone, H3K9me3, and increased permissive histone, acH3K9, in nucleus accumbens core associated with cocaine sensitization. However, there were limits on these epigenetic changes that paralleled the behavioral limits on further sensitization. In bLRs, the combination of cocaine exposure in adolescence and adulthood, which lead to an increase in their responsiveness to a cocaine challenge, also increased acH3K9 expression in the core. Thus, adolescent cocaine experience interacts with genetic background to elicit different behavioral profiles relevant to addiction in adulthood, with concurrent modifications in the epigenetic histone profiles in the nucleus accumbens that associate with cocaine sensitization and with metaplasticity. SIGNIFICANCE STATEMENT Adolescence is a critical period when brain developmental trajectories continue to be established and when most illicit drug use is initiated in humans. Notably, however, only a minority of adolescent drug users go on to develop substance use disorders in adulthood. We hypothesize that individual differences in genetic vulnerability, temperamental phenotype and adolescent drug history intersect to modify life-long drug abuse liability, with epigenetic modification playing an important role in this interplay. We tested this hypothesis in a genetic animal model of temperament. Our results show that adolescent cocaine experience induces psychomotor sensitization in vulnerable individuals, and that a dual exposure to cocaine (both in adolescence and adulthood) limits further sensitization in these individuals, an example of metaplasticity. By contrast, individuals who are typically resilient become more responsive to cocaine when exposed to this drug during adolescence and are then re-exposed as adults. Differences in behavioral response to cocaine were associated with unique epigenetic changes in the nucleus accumbens core. These findings shed light on the interplay of genes, environment and adolescent exposure to drugs in susceptibility to substance use disorders.

Background For over 16 years, we have selectively bred rats to show either high or low levels of exploratory activity within a novel environment. These “bred High Responder” (bHR) and “bred Low Responder” (bLR) rats serve as a model for temperamental extremes, exhibiting large differences in many internalizing and externalizing behaviors relevant to mood and substance abuse disorders.Methods Our study elucidated persistent differences in gene expression related to bHR/bLR phenotype across development and adulthood in the hippocampus, a region critical for emotional regulation. We meta-analyzed eight transcriptional profiling datasets (microarray, RNA-Seq) spanning 43 generations of selective breeding (adult: n =46, P7: n =22, P14: n =49, P21: n =21; all male). We cross-referenced these results with exome sequencing performed on our colony to pinpoint candidates likely to mediate the effect of selective breeding on behavioral phenotype.Results Genetic and transcriptional profiling results converged to implicate two genes with previous associations with metabolism and mood: Thyrotropin releasing hormone receptor and Uncoupling protein 2. Our results also highlighted bHR/bLR functional differences in the hippocampus, including a network essential for neurodevelopmental programming, proliferation, and differentiation, containing hub genes Bone morphogenetic protein 4 and Marker of proliferation ki-67. Finally, we observed differential expression related to microglial activation, which is important for synaptic pruning, including two genes within implicated chromosomal regions: Complement C1q A chain and Milk fat globule-EGF factor 8.Conclusion These candidate genes and functional pathways have the capability to direct bHR/bLR rats along divergent developmental trajectories and promote a widely different reactivity to the environment.