Abstract Using incipient lines of the Collaborative Cross (CC), a murine genetic reference population, we previously identified a quantitative trait loci (QTL) associated with low SARS-CoV titer. In this study, we integrated sequence information and RNA expression of genes within the QTL to identify mucin 4 ( Muc4 ) as a high priority candidate for controlling SARS-CoV titer in the lung. To test this hypothesis, we infected Muc4 -/- mice and found that female, but not male, Muc4 -/- mice developed more weight loss and disease following infection with SARS-CoV. Female Muc4 -/- mice also had more difficulty breathing despite reduced lung pathology; however, no change in viral titers was observed. Comparing across viral families, studies with chikungunya virus, a mosquito-borne arthralgic virus, suggests that Muc4’s impact on viral pathogenesis may be widespread. Although not confirming the original titer QTL, our data identifies a role for Muc4 in the SARS-CoV disease and viral pathogenesis. Importance Given the recent emergence of SARS-CoV-2, this work suggest that Muc4 expression plays a protective role in female mice not conserved in male mice following SARS-CoV infection. With the SARS-CoV-2 outbreak continuing, treatments that modulate or enhance Muc4 activity may provide an avenue for treatment and improved outcomes. In addition, the work highlights the importance of studying host factors including host genetics and biological sex as key parameters influencing infection and disease outcomes.

Abstract The outcome of an encounter with Mycobacterium tuberculosis depends on the pathogen’s ability to adapt to the variable immune pressures exerted by the host. Understanding this interplay has proven difficult, largely because experimentally tractable animal models do not recapitulate the heterogeneity of tuberculosis disease. We leveraged the genetically diverse Collaborative Cross (CC) mouse panel in conjunction with a library of Mtb mutants to associate bacterial genetic requirements with host genetics and immunity. We report that CC strains vary dramatically in their susceptibility to infection and produce qualitatively distinct immune states. Global analysis of Mtb mutant fitness across the CC panel revealed that many virulence pathways are only in specific host microenvironments, identifying the large fraction of the pathogen’s genome that has been maintained to ensure fitness in a diverse population. Both immunological and bacterial traits were associated with genetic variants distributed across the mouse genome, identifying the specific host-pathogen genetic interactions that influence pathogenesis.

ABSTRACT Powassan virus (POWV) is an emerging tick-borne flavivirus that causes neuroinvasive disease, including encephalitis, meningitis, and paralysis. Similar to other neuroinvasive flaviviruses, such as West Nile virus (WNV) and Japanese encephalitis virus (JEV), POWV disease presentation is heterogeneous, and the factors influencing disease outcome are not fully understood. We used Collaborative Cross (CC) mice to assess the impact of host genetic factors on POWV pathogenesis. We infected a panel of Oas1b -null CC lines with POWV and observed a range of susceptibility phenotypes, indicating that host factors other than the well-characterized flavivirus restriction factor Oas1b modulate POWV pathogenesis in CC mice. Among Oas1b -null CC lines, we identified multiple highly susceptible lines (0% survival), including CC071, and a single resistant line (78% survival), CC045. Susceptibility phenotypes generally were concordant among neuroinvasive flaviviruses, although we identified one line, CC006, that was resistant specifically to JEV, suggesting that both pan-flavivirus and virus-specific mechanisms contribute to susceptibility phenotypes in CC mice. We found that POWV replicated to higher titers in bone marrow-derived macrophages from CC071 mice compared to CC045 mice, suggesting that resistance could result from cell-intrinsic restriction of viral replication. Although serum viral loads at 2 days post-infection were equivalent between CC071 and CC045 mice, clearance of POWV from the serum was significantly slower in CC071 mice. Furthermore, CC045 mice had significantly lower viral loads in the brain at 7 days post-infection compared to CC071 mice, suggesting that reduced CNS infection contributes to the resistant phenotype of CC045 mice. IMPORTANCE Neuroinvasive flaviviruses, such as WNV, JEV, and POWV, are transmitted to humans by mosquitoes or ticks, can cause neurologic disease, such as encephalitis, meningitis, and paralysis, and can result in death or long-term sequelae. Although potentially severe, neuroinvasive disease is a rare outcome of flavivirus infection. The factors that determine whether someone develops severe disease after flavivirus infection are not fully understood, but host genetic differences in polymorphic antiviral response genes likely contribute to disease outcome. We evaluated a panel of genetically diverse mice and identified lines with distinct outcomes following infection with POWV. We found that resistance to POWV pathogenesis corresponded to reduced viral replication in macrophages, more rapid clearance of virus in peripheral tissues, and reduced viral infection in the brain. These susceptible and resistant mouse lines will provide a system for investigating the pathogenic mechanisms of POWV and identifying polymorphic host genes that contribute to resistance.

Proteins constitute much of the structure and functional machinery of cells, forming signaling networks, metabolic pathways, and large multi-component complexes. Protein abundance is regulated at multiple levels spanning transcription, translation, recycling, and degradation to maintain proper balance and optimal function. To better understand how protein abundances are maintained across varying genetic backgrounds, we analyzed liver proteomes of three genetically diverse mouse populations. We observe strong concordance of genetic and sex effects across populations. Differences between the populations arise from the contributions of additive, dominance, and epistatic components of heritable variation. We find that the influence of genetic variation on proteins that form complexes relates to their co-abundance. We identify effects on protein abundance from mutations that arose and became fixed during breeding and can lead to unique regulatory responses and disease states. Genetically diverse mouse populations provide powerful tools for understanding proteome regulation and its relationship to whole-organism phenotypes.

Abstract Phosphorylation of proteins is a key step in the regulation of many cellular processes including activation of enzymes and signaling cascades. The abundance of a phosphorylated peptide (phosphopeptide) is determined by the abundance of its parent protein and the proportion of target sites that are phosphorylated. We quantified phosphopeptides, proteins, and transcripts in heart, liver, and kidney tissue samples of mice from 58 strains of the Collaborative Cross strain panel. We mapped ∼700 phosphorylation quantitative trait loci (phQTL) across the three tissues and applied genetic mediation analysis to identify causal drivers of phosphorylation. We identified kinases, phosphatases, cytokines, and other factors, including both known and potentially novel interactions between target proteins and genes that regulate site-specific phosphorylation. Our analysis highlights multiple targets of pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK1), a regulator of mitochondrial function that shows reduced activity in the NZO/HILtJ mouse, a polygenic model of obesity and type 2 diabetes.

Summary The heterogeneity of immune responses observed in humans is difficult to model in standard inbred laboratory mice. To capture the diversity inherent in mice and better understand how host variation affects BCG-induced immunity against Mycobacterium tuberculosis , 24 unique Collaborative Cross (CC) recombinant inbred mouse strains and the C57BL/6 reference strain were vaccinated with or without BCG, and then challenged with low-dose aerosolized virulent M. tuberculosis . In contrast to standard lab strains, BCG protected only half of the CC strains tested. Furthermore, BCG efficacy is dissociable from inherent susceptibility to TB. As these strains differed primarily in the genes and alleles they inherited from the CC founder strains, we conclude that the host genetic background has a major influence on whether BCG confers protection against M. tuberculosis infection and indicates that host genetics should be considered as an important barrier to vaccine-mediated protection. Importantly, we wished to identify the components of the immune response stimulated by BCG, which were subsequently recalled after Mtb infection and associated with protection. The T cell immune response following BCG vaccination and Mtb challenge was extensively characterized. Although considerable diversity was observed, BCG vaccination had little impact on the composition of T cells recruited and maintained in the lung after infection. Instead, the variability was largely shaped by the genetic background. We developed models to detect vaccine-induced differences, which identified immune signatures associated with BCG-elicited protection against TB. Importantly, even when categorized as susceptible vs. resistant, and protected vs. unprotected, many of the protected CC strains had unique flavors of immunity, indicating multiple paths to protection. Thus, CC mice can be used to define correlates of protection and to identify vaccine strategies that protect a larger fraction of genetically diverse individuals instead of optimizing protection for a single genotype.

Sarbecovirus (CoV) infections, including Severe Acute Respiratory CoV (SARS-CoV) and SARS-CoV-2, are considerable human threats. Human GWAS studies have recently identified loci associated with variation in SARS-CoV-2 susceptibility. However, genetically tractable models that reproduce human CoV disease outcomes are needed to mechanistically evaluate genetic determinants of CoV susceptibility. We used the Collaborative Cross (CC) and human GWAS datasets to elucidate host susceptibility loci that regulate CoV infections and to identify host quantitative trait loci that modulate severe CoV and pan-CoV disease outcomes including a major disease regulating loci including CCR9. CCR9 ablation resulted in enhanced titer, weight loss, respiratory dysfunction, mortality, and inflammation, providing mechanistic support in mitigating protection from severe SARS-CoV-2 pathogenesis across species. This study represents a comprehensive analysis of susceptibility loci for an entire genus of human pathogens conducted, identifies a large collection of susceptibility loci and candidate genes that regulate multiple aspects type-specific and cross-CoV pathogenesis, and also validates the paradigm of using the CC platform to identify common cross-species susceptibility loci and genes for newly emerging and pre-epidemic viruses.

Infectious diseases have shaped the human population genetic structure, and genetic variation influences the susceptibility to many viral diseases. However, a variety of challenges have made the implementation of traditional human Genome-wide Association Studies (GWAS) approaches to study these infectious outcomes challenging. In contrast, mouse models of infectious diseases provide an experimental control and precision, which facilitates analyses and mechanistic studies of the role of genetic variation on infection. Here we use a genetic mapping cross between two distinct Collaborative Cross mouse strains with respect to SARS-CoV disease outcomes. We find several loci control differential disease outcome for a variety of traits in the context of SARS-CoV infection. Importantly, we identify a locus on mouse Chromosome 9 that shows conserved synteny with a human GWAS locus for SARS-CoV-2 severe disease. We follow-up and confirm a role for this locus, and identify two candidate genes, CCR9 and CXCR6 that both play a key role in regulating the severity of SARS-CoV, SARS-CoV-2 and a distantly related bat sarbecovirus disease outcomes. As such we provide a template for using experimental mouse crosses to identify and characterize multitrait loci that regulate pathogenic infectious outcomes across species.

ABSTRACT Understanding the pharmacogenomics of opioid metabolism and behavior is vital to therapeutic success as mutations can dramatically alter therapeutic efficacy and addiction liability. We found robust, sex-dependent BALB/c substrain differences in oxycodone behaviors and whole brain concentration of oxycodone metabolites. BALB/cJ females showed robust state-dependent oxycodone reward learning as measured via conditioned place preference when compared to the closely related BALB/cByJ substrain. Accordingly, BALB/cJ females also showed a robust increase in brain concentration of the inactive metabolite noroxycodone and the active metabolite oxymorphone compared to BALB/cByJ mice. Oxymorphone is a highly potent full agonist at the mu opioid receptor that could enhance drug-induced interoception and state-dependent oxycodone reward learning. Quantitative trait locus ( QTL ) mapping in a BALB/c F2 reduced complexity cross revealed one major QTL on chromosome 15 underlying brain oxymorphone concentration that explained 32% of the female variance. BALB/cJ and BALB/cByJ differ by fewer than 10,000 variants which can greatly facilitate candidate gene/variant identification. Hippocampal and striatal cis-expression QTL (eQTL) and exon-level eQTL analysis identified Zhx2 , a candidate gene coding for a transcriptional repressor with a private BALB/cJ retroviral insertion that reduces Zhx2 expression and sex-dependent dysregulation of CYP enzymes. Whole brain proteomics corroborated the Zhx2 eQTL and identified upregulated CYP2D11 that could increase brain oxymorphone in BALB/cJ females. To summarize, Zhx2 is a highly promising candidate gene underlying brain oxycodone metabolite levels. Future studies will validate Zhx2 and its site of action using reciprocal gene editing and tissue-specific viral manipulations in BALB/c substrains. Significance Statement Our findings show genetic variation can result in sex-specific alterations in whole brain concentrations of bioactive opioid metabolites following oxycodone administration, and reinforces the need for sex as a biological factor in pharmacogenomic studies. The co-occurrence of female-specific increased oxymorphone and state-dependent reward learning suggests that this minor yet potent and efficacious metabolite of oxycodone could increase opioid interoception and drug-cue associative learning of opioid reward which has implications for cue-induced relapse of drug-seeking behavior.

Host genetics plays an important role in determining the outcome of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. We previously found that Collaborative Cross mouse strains differ in their susceptibility to Mtb, and that the CC042/GeniUnc (CC042) strain suffered from a rapidly progressive disease and failed to produce the protective cytokine, IFNγ, in the lung. Here, we used parallel genetic and immunological approaches to investigate the basis of CC042 susceptibility. Using a population derived from a CC001/Unc (CC001) x CC042 intercross, we mapped four QTL underlying Tuberculosis ImmunoPhenotypes (Tip1-4). These included 2 major effect QTL on Chromosome 7 (Tip1 and Tip2) that were associated with bacterial burden. Tip2, along with Tip3 (Chromosome 15) and Tip4 (Chromosome 16) also correlated with IFNγ production following infection, whereas Tip1 appeared to control an IFNγ-independent mechanism of bacterial control. Further immunological characterization revealed that CC042 animals recruited relatively few antigen-specific T cells to the lung and these T cells failed to express the Integrin alpha L (αL; i.e., CD11a), which contributes to T cell activation and migration. These defects could be explained by a CC042 private variant in the Itgal gene, which encodes CD11a, and is found within the Tip2 interval. This 15bp deletion leads to aberrant mRNA splicing and is predicted to result in a truncated protein product. The ItgalCC042 genotype was associated with all measured disease traits, indicating that this variant is a major determinant of susceptibility in CC042. The combined effect of functionally distinct Tip variants likely explains the profound susceptibility of CC042 and highlights the multigenic nature of TB control in the Collaborative Cross.