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.

Obesity is a global health crisis that is influenced by both genetic and environmental factors. Rodent model organisms can be used to understand the biological and genetic basis of obesity and related morphological traits. A major advantage of model organisms is that they can be studied under uniform environmental conditions, thus reducing the complex role of environment and gene by environment interactions. Furthermore, fat pads and other tissues can be dissected and weighed, so that their role in determining body weight can be precisely defined. Highly recombinant populations allow for genetic fine-mapping of complex traits, greatly reducing the number of plausible candidate genes. We performed the largest rat GWAS ever undertaken, using 3,173 male and female adult N/NIH heterogeneous stock (HS) rats, which were created by mixing 8 inbred strains. We identified 31 independent loci for body weight, body length, body mass index, fat pad weight (retroperitoneal, epididymal, and parametrial), and fasting glucose. We observed strong evidence of pleotropic effects across multiple phenotypes. Three loci contained only a single gene (Epha5, Nrg1 and Klhl14), whereas others were larger and contained many genes. We replicated a locus containing Prlhr, and a second locus containing Adcy3, which we had previously identified in a smaller HS rat study. Finally, by subsampling our dataset, we showed an exponential growth of significant loci as sample size increased towards 3,173. Our results demonstrate the potential for rodent studies to add to our understanding of the molecular genetic factors that contribute to obesity-relevant traits and emphasize the importance of sample size.

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 Elevated intraocular pressure (IOP) is influenced by environmental and genetic factors. Increased IOP is a major risk factor for most types of glaucoma, including primary open angle glaucoma (POAG). Investigating the genetic basis of IOP may lead to a better understanding of the molecular mechanisms of POAG. The goal of this study was to identify genetic loci involved in regulating IOP using outbred heterogeneous stock (HS) rats. HS rats are a multigenerational outbred population derived from eight inbred strains that have been fully sequenced. This population is ideal for genome-wide association studies (GWASs) owing to the accumulated recombinations among well-defined haplotypes, the relatively high allele frequencies, the accessibility to a large collection of tissue samples, and the large allelic effect size compared to human studies. Both male and female HS rats (N=1,812) were used in the study. Genotyping-by-sequencing was used to obtain ~3.5 million single nucleotide polymorphisms (SNP) from each individual. SNP heritability for IOP in HS rats was 0.32, which agrees with other studies. We performed a GWAS for the IOP phenotype using a linear mixed model and used permutation to determine a genome-wide significance threshold. We identified three genome-wide significant loci for IOP on chromosomes 1, 5, and 16. Next, we sequenced the mRNA of 51 whole eye samples to find cis-eQTLs to aid in identification of candidate genes. We report 5 candidate genes within those loci: Tyr , Ctsc , Plekhf2 , Ndufaf6 and Angpt2 . Tyr , Ndufaf6 and Angpt2 genes have been previously implicated by human GWAS of IOP-related conditions. Ctsc and Plekhf2 genes represent novel findings that may provide new insight into the molecular basis of IOP. This study highlights the efficacy of HS rats for investigating the genetics of elevated IOP and identifying potential candidate genes for future functional testing. Contribution to the field statement Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Intraocular pressure (IOP) is the only known modifiable risk factor. This study describes results of the genome-wide association study (GWAS) performed in outbred rats that identifies known and novel genes involved in IOP regulation. To our knowledge, this is the first GWAS performed for IOP in a rat model. Identifying novel candidate genes in the rat model provides insight into the risk factors for glaucoma in humans and potential pharmacological targets for regulating IOP. The rat model is advantageous for studying natural variations in IOP, controlling environmental exposures, and providing easier access to tissue that can be used in phenotyping and gene expression in future studies.

Abstract Power analyses are often used to determine the number of animals required for a genome wide association analysis (GWAS). These analyses are typically intended to estimate the sample size needed for at least one locus to exceed a genome-wide significance threshold. A related question that is less commonly considered is the number of significant loci that will be discovered with a given sample size. We used simulations based on a real dataset that consisted of 3,173 male and female adult N/NIH heterogeneous stock (HS) rats to explore the relationship between sample size and the number of significant loci discovered. Our simulations examined the number of loci identified in sub-samples of the full dataset. The sub-sampling analysis was conducted for four traits with low (0.15 ± 0.03), medium (0.31 ± 0.03 and 0.36 ± 0.03) and high (0.46 ± 0.03) SNP-based heritabilities. For each trait, we sub-sampled the data 100 times at different sample sizes (500, 1,000, 1,500, 2,000, and 2,500). We observed an exponential increase in the number of significant loci with larger sample sizes. Our results are consistent with similar observations in human GWAS and imply that future rodent GWAS should use sample sizes that are significantly larger than those needed to obtain a single significant result.

Abstract Many personality traits are influenced by genetic factors. Rodents models provide an efficient system for analyzing genetic contribution to these traits. Using 1,246 adolescent heterogeneous stock (HS) male and female rats, we conducted a genome-wide association study (GWAS) of behaviors measured in an open field, including locomotion, novel object interaction, and social interaction. We identified 30 genome-wide significant quantitative trait loci (QTL). Using multiple criteria, including the presence of high impact genomic variants and co-localization of cis-eQTL, we identified 13 candidate genes ( Adarb2, Ankrd26, Cacna1c, Clock, Crhr1, Ctu2, Cyp26b1, Eva1a, Fam114a1, Kcnj9, Mlf2, Rab27b, Sec11a ) for these traits. Most of these genes have been implicated by human GWAS of various psychiatric traits. For example, Cacna1c , a gene known to be critical for social behavior in rodents and implicated in human schizophrenia and bipolar disorder, is a candidate gene for distance to the social zone. In addition, the QTL region for total distance to the novel object zone, on Chr1 at 144 Mb, is syntenic to a hotspot on human Chr15 (82.5-90.8 Mb) that contains 14 genes associated with psychiatric or substance abuse traits. Although some of the genes identified by this study appear to replicate findings from prior human GWAS, others likely represent novel findings that can be the catalyst for future molecular and genetic insights into human psychiatric diseases. Together, these findings provide strong support for the use of the HS population to study psychiatric disorders.

The heterogeneous stock (HS) is an outbred rat population derived from eight inbred rat strains. The population is maintained with the goal of minimizing inbreeding and maximizing the genetic diversity of the stock. To effectively utilize this rat strain for fine-scale genetic mapping, genotype data is necessary for large numbers of animals. A few genotyping microarrays have been created for rats; however, they were expensive and are no longer in production. Thus, to obtain high-density genome-wide marker data for genetic mapping, we have adapted genotype-by-sequencing (GBS) for use in rats. Here, we outline the laboratory and computational steps we took to design and optimize an efficient double digest genotype-by-sequencing (ddGBS) protocol for rats. We include a detailed protocol to perform ddGBS in rats. To analyze the ddGBS sequencing data, we evaluated multiple existing computational tools and designed a workflow that allowed us to call and impute over 3.7 million SNPs genome-wide in the HS. We also compared various rat genetic maps for use in imputation, including a recently developed map specific to the HS. Using the pipeline, we obtained concordance rates of 99% with data from a rat genotyping array. The computational pipeline that we have developed can be easily adapted for use in other species.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.