Binge eating (BE) is a heritable trait associated with eating disorders and involves rapid consumption of large quantities of food. We identified cytoplasmic FMRP-interacting protein 2 (Cyfip2) as a major genetic factor underlying BE and concomitant compulsive-like behaviors in mice. CYFIP2 is a gene homolog of CYFIP1 - one of four paternally-deleted genes in patients with the more severe Type I Prader-Willi Syndrome (PWS). PWS is a neurodevelopmental disorder where 70% of cases involve paternal deletion of 15q11-q13. PWS symptoms include hyperphagia, obesity (if untreated), cognitive deficits, and obsessive-compulsive behaviors. We tested whether Cyfip1 haploinsufficiency (+/-) would enhance premorbid compulsive-like behavior and palatable food (PF) intake in a parent-of-origin-selective manner. We tested Cyfip1+/- mice on a C57BL/6N (N) background that were homozygous for the BE-associated missense mutation in Cyfip2 (S968F) as well as mice that we backcrossed to homozygosity for the C57BL/6J (J) allele at Cyfip2 (Cyfip2J/J). Cyfip1+/- mice showed increased compulsive-like behavior on both backgrounds, increased PF consumption on the Cyfip2N/N background in a paternally-enhanced manner, and decreased PF consumption in male Cyfip1+/- mice on the Cyfip2J/J background in a maternally selective manner. In the hypothalamus, there was a maternally-enhanced reduction of Cyfip1 transcription, but a paternally-enhanced reduction in CYFIP1 protein. In the nucleus accumbens, there was a maternally-enhanced reduction in CYFIP1 protein. Together, increased compulsive-like behavior, parent-of-origin-, and genetic background-dependent effects of Cyfip1 haploinsufficiency on PF consumption implicate CYFIP1 in behaviors in neurodevelopmental disorders involving reduced expression of CYFIP1, including PWS, Fragile X Syndrome, and 15q11.2 Microdeletion Syndrome.

ABSTRACT The opioid epidemic led to an increase in the number of Neonatal Opioid Withdrawal Syndrome ( NOWS ) cases in infants born to opioid-dependent mothers. Hallmark features of NOWS include weight loss, severe irritability, respiratory problems, and sleep fragmentation. Mouse models provide an opportunity to identify brain mechanisms that contribute to NOWS. Neonatal outbred Swiss Webster Cartworth Farms White (CFW) mice were administered morphine (15mg/kg, s.c.) twice daily for postnatal days (P) 1-14, an approximate of the third trimester of human gestation. Male and female mice underwent behavioral testing on P7 and P14 to determine the impact of opioid exposure on anxiety and pain sensitivity. Ultrasonic vocalizations (USVs) and daily body weights were also recorded. Brainstems containing pons and medulla were collected during morphine withdrawal on P14 for RNA-sequencing. Morphine induced weight loss from P2-14, which persisted during adolescence (P21) and adulthood (P50). USVs markedly increased at P7 in females, emerging earlier than males. On P7 and P14, both morphine exposed female and male mice displayed hyperalgesia on the hot plate and tail flick assays, with females having greater hyperalgesia than males. Morphine-exposed mice exhibited increased anxiety-like behavior in the open-field arena at P21. Transcriptome analysis of the brainstem (medulla plus pons), an area implicated in opioid withdrawal and NOWS, identified pathways enriched for noradrenergic signaling in females and males. We also found sex-specific pathways related to mitochondrial function and neurodevelopment in females and circadian entrainment in males. Sex-specific transcriptomic neuroadaptations implicate unique neurobiological mechanisms underlying NOWS-like behaviors. SIGNIFICANCE STATEMENT Neonatal opioid withdrawal syndrome (NOWS) is a poorly understood condition that has both a genetic and environmental component and is thought to be mechanistically distinct from opioid withdrawal in adults. The development of murine models for measuring neurobehavioral responses is critical for informing the neurobiological adaptations underlying NOWS. Using outbred mice that more closely model human genetic variation, we discovered a surprising degree of sexual dimorphism in behavioral timing and severity of NOWS-model behaviors as well as transcriptomic adaptations in brain tissue that together suggest distinct mechanisms and sex-specific therapeutics for reversing withdrawal symptoms and restoring brain function.

ABSTRACT Psychostimulant (methamphetamine, cocaine) use disorders have a genetic component that remains mostly unknown. Here, we conducted genome-wide quantitative trait locus (QTL) analysis of methamphetamine stimulant sensitivity. To facilitate gene identification, we employed a Reduced Complexity Cross between closely related C57BL/6 mouse substrains and examined maximum speed and distance traveled over 30 min following methamphetamine (2 mg/kg, i.p.). For maximum methamphetamine-induced speed following the second and third administration, we identified a single genome-wide significant QTL on chromosome 11 that peaked near the Cyfip2 locus [LOD = 3.5, 4.2; peak = 21 cM (36 Mb)]. For methamphetamine-induced distance traveled, we identified a single genome-wide significant QTL on chromosome 5 that peaked near a functional intronic indel in Gabra2 that codes for the alpha-2 subunit of the GABA-A receptor [LOD = 5.2; peak = 35 cM (67 Mb)]. Striatal cis -expression QTL mapping corroborated Gabra2 as a functional candidate gene underlying methamphetamine-induced distance traveled. CRISPR/Cas9-mediated correction of the mutant intronic deletion on the C57BL/6J background to the wild-type C57BL/6NJ allele was sufficient to reduce methamphetamine-induced locomotor activity toward the wild-type C57BL/6NJ-like level, thus validating the quantitative trait variant (QTV). These studies demonstrate the power and efficiency of Reduced Complexity Crosses in identifying causal genes and variants underlying complex traits. Functionally restoring Gabra2 expression decreased methamphetamine stimulant sensitivity and supports preclinical and human genetic studies implicating the GABA-A receptor in psychostimulant addiction-relevant traits. Importantly, our findings have major implications for investigators studying psychostimulants in the C57BL/6J strain - the gold standard strain in biomedical research.

ABSTRACT Methamphetamine addiction remains a major public health concern in the United States that has paralleled the opioid epidemic. Psychostimulant use disorders have a heritable genetic component that remains unexplained. Methamphetamine targets membrane and vesicular transporters to increase synaptic dopamine, norepinephrine, and serotonin. We previously identified Hnrnph1 (heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1) as a quantitative trait gene underlying methamphetamine behavioral sensitivity. Hnrnph1 encodes the RNA-binding protein hnRNP H1 that is ubiquitously expressed in neurons throughout the brain. Gene-edited mice with a heterozygous frameshift deletion in the first coding exon of Hnrnph1 showed reduced methamphetamine-induced dopamine release and behaviors. To inform the mechanism linking hnRNP H dysfunction with reduced methamphetamine neurobehavioral effects, we surveyed the mRNA targetome of hnRNP H via cross-linking immunoprecipitation coupled with RNA-sequencing in striatal tissue at baseline and at 30 min post-methamphetamine. Methamphetamine induced opposite changes in RNA-binding targets of hnRNP H in Hnrnph1 mutants versus wild-types, including 3’UTR targets in mRNAs enriched for synaptic proteins involved in dopamine release and excitatory synaptic plasticity. Targetome, transcriptome, and spliceome analyses triangulated on a methamphetamine-induced upregulation of the calcium channel subunit transcript Cacna2d2 and decreased its 3’UTR usage in hyposensitive Hnrnph1 mutants. Pretreatment with pregabalin, an inhibitor of α2δ2 and α2δ1 voltage-gated calcium channel subunits attenuated methamphetamine-induced locomotor activity in wild-type females but not in Hnrnph1 mutants, supporting Cacna2d2 as a hnRNP H target. Our study identifies a dynamic hnRNP H RNA targetome that can rapidly and adaptively respond to methamphetamine to regulate gene expression and likely synaptic plasticity and behavior. SIGNIFICANCE STATEMENT The genetic risks mediating psychostimulant addiction are unknown and there are no FDA-approved treatments. We identified Hnrnph1 in modulating methamphetamine behavioral sensitivity in mice. Hnrnph1 codes for hnRNP H1, an RNA-binding protein. Here, we asked whether an Hnrnph1 mutation and methamphetamine treatment would change the hnRNP H RNA targets and whether these targets could tell us how Hnrnph1 is linked to behavior. We identified a calcium channel subunit that is a primary target of the FDA-approved drug pregabalin (a.k.a. Lyrica®). Like the Hnrnph1 mutation, pregabalin reduced methamphetamine behaviors in wild-type mice. We propose hnRNP H regulates calcium channels in response to methamphetamine-induced perturbations in neurotransmitter release. Accordingly, pregabalin could represent a novel treatment to restore synaptic function following methamphetamine administration.

1 Abstract Treatment of acute and chronic pain represent a widespread clinical challenge with poor therapeutic options. While rodents are an invaluable model to study pain, scoring nociceptive responses in clinically relevant paradigms and at high-throughput remains an unmet challenge. Therefore, there is a need for automated, high-throughput methods that sensitively and accurately assess pain and analgesia. Such objective and scalable technologies will enable the discovery of novel analgesics and yield mechanistic insights into the neural and genetic mechanisms of pain. Here, we adopt the open field arena to build a univariate scale for the formalin injection model of inflammatory pain by using a machine learning approach that incorporates 82 behavioral features. This tool outperforms traditional measures of licking and shaking in detection of formalin dose, and was validated using 4 diverse mouse strains. We also detected previously unreported differences in formalin induced nocifensive behaviors that were strain and sex specific. This model also reliably identifies morphine induced antinociception. This novel, sensitive, and inexpensive tool provides a method for quantifying voluntary nociceptive responses to facilitate genetic mapping and analgesic compound screening in a high throughput manner.

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.

Sensitivity to the subjective reinforcing properties of opioids has a genetic component and can predict addiction liability of opioid compounds. We previously identified Zhx2 as a candidate gene underlying increased brain concentration of the oxycodone (OXY) metabolite oxymorphone (OMOR) in BALB/cJ (J) versus BALB/cByJ (By) females that could increase OXY state-dependent reward. A large structural intronic variant is associated with a robust reduction of Zhx2 expression in J mice, which we hypothesized enhances OMOR levels and OXY addiction-like behaviors. We tested this hypothesis by restoring the Zhx2 loss-of-function in Js (MVKO) and modeling the loss-of-function variant through knocking out the Zhx2 coding exon (E3KO) in Bys and assessing brain OXY metabolite levels and behavior. Consistent with our hypothesis, Zhx2 E3KO females showed an increase in brain OMOR levels and OXY-induced locomotor activity. However, contrary to our hypothesis, state-dependent expression of OXY-CPP was decreased in E3KO females and increased in E3KO males. We also overexpressed Zhx2 in the livers and brains of Js and observed Zhx2 overexpression in select brain regions that was associated with reduced OXY state-dependent learning. Integrative transcriptomic and proteomic analysis of E3KO mice identified astrocyte function, cell adhesion, extracellular matrix properties, and endothelial cell functions as pathways influencing brain OXY metabolite concentration and behavior. These results support Zhx2 as a quantitative trait gene underlying brain OMOR concentration that is associated with changes in OXY behavior and implicate potential quantitative trait mechanisms that together inform our overall understanding of Zhx2 in brain function.

ABSTRACT Opioid use during pregnancy can lead to negative infant health outcomes, including neonatal opioid withdrawal syndrome(NOWS). NOWS comprises gastrointestinal, autonomic nervous system, and neurological dysfunction that manifest during spontaneous withdrawal. Current treatments involve non-pharmacological and pharmacological interventions, however, there is no one standardized approach, in part because of variability in NOWS severity. To effectively model NOWS traits in mice, we used a third trimester-approximate opioid exposure paradigm, where neonatal inbred FVB/NJ and outbred Carworth Farms White(CFW) pups were injected twice-daily with morphine(10-15mg/kg, s.c.) or saline(0.9%, 20 ul/g, s.c.) from postnatal day(P) one to P14. We observed reduced body weight gain, hypothermia, thermal hyperalgesia, and increased ultrasonic vocalizations(USVs). Neonatal USVs are emitted exclusively in isolation to communicate distress and thus serve as a model behavior for affective states. On P14, we observed altered USV syllable profiles during spontaneous morphine withdrawal, including an increase in Complex 3 syllables in FVB/NJ females(but not males) and in CFW mice of both sexes. Brainstem transcriptomics revealed an upregulation of the kappa opioid receptor( Oprk1) , whose activation has previously been shown to contribute to withdrawal-induced dysphoria. Treatment with the kappa opioid receptor(KOR) antagonist, nor-BNI(30 mg/kg, s.c.), significantly reduced USV emission in FVB/NJ females, but not FVB/NJ males during spontaneous morphine withdrawal. Furthermore, treatment with the KOR agonist, U50,488h(0.625 mg/kg, s.c.), was sufficient to increase USV emission on P10(both sexes) and on P14(females only) in FVB/NJ mice. Together, these results indicate a female-specific recruitment of the dynorphin/KOR system in neonatal opioid withdrawal symptom severity.

RNA binding proteins are a diverse class of proteins that regulate all aspects of RNA metabolism. Accumulating studies indicate that heterogeneous nuclear ribonucleoproteins are associated with cellular adaptations in response to drugs of abuse. We recently mapped and validated heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1 (Hnrnph1) as a quantitative trait gene underlying differential behavioral sensitivity to methamphetamine. The molecular mechanisms by which hnRNP H1 alters methamphetamine behaviors are unknown but could involve pre- and/or post-synaptic changes in protein localization and function. Methamphetamine initiates post-synaptic D1 dopamine receptor signaling indirectly by binding to pre-synaptic dopamine transporters and vesicular monoamine transporters of midbrain dopaminergic neurons which triggers revers e transport and accumulation of dopamine at the synapse. Here, we examined changes in neuronal localization of hnRNP H in primary rat cortical neurons that express dopamine receptors that can be modulated by the D1 or D2 dopamine receptor agonists SKF38393 and (-)-Quinpirole HCl, respectively. Basal immunostaining of hnRNP H was localized primarily to the nucleus. D1 dopamine receptor activation induced an increase in hnRNP H nuclear immunostaining as detected by immunocytochemistry with a C-domain directed antibody containing epitope near the glycine-rich domain but not with an N-domain specific antibody. Although there was no change in hnRNP H protein in the nucleus or cytoplasm, there was a decrease in Hnrnph1 transcript following D1 receptor stimulation. Taken together, these results suggest that D1 receptor activation increases availability of the hnRNP H C-terminal epitope, which could potentially reflect changes in protein-protein interactions. Thus, D1 receptor signaling could represent a key molecular post-synaptic event linking Hnrnph1 polymorphisms to drug-induced behavior.

We previously identified a 210 kb region on chromosome 11 (50.37-50.58 Mb, mm10) containing two protein-coding genes ( Hnrnph1 , Rufy1 ) that was necessary for reduced methamphetamine-induced locomotor activity in C57BL/6J congenic mice harboring DBA/2J polymorphisms. Gene editing of a small deletion in the first coding exon supported Hnrnph1 as a quantitative trait gene. We have since shown that Hnrnph1 mutants also exhibit reduced methamphetamine-induced reward, reinforcement, and dopamine release. However, the quantitative trait variants (QTVs) that modulate Hnrnph1 function at the molecular level are not known. Nine single nucleotide polymorphisms and seven indels distinguish C57BL/6J from DBA/2J within Hnrnph1 , including four variants within the 5′ untranslated region (UTR). Here, we show that a 114 kb introgressed region containing Hnrnph1 and Rufy1 was sufficient to cause a decrease in MA-induced locomotor activity. Gene-level transcriptome analysis of striatal tissue from 114 kb congenics versus Hnrnph1 mutants identified a nearly perfect correlation of fold-change in expression for those differentially expressed genes that were common to both mouse lines, indicating functionally similar effects on the transcriptome and behavior. Exon-level analysis (including noncoding exons) revealed decreased 5′ UTR usage of Hnrnph1 and immunoblot analysis identified a corresponding decrease in hnRNP H protein in 114 kb congenic mice. Molecular cloning of the Hnrnph1 5′ UTR containing all four variants (but none of them individually) upstream of a reporter induced a decrease in reporter signal in both HEK293 and N2a cells, thus identifying a set of QTVs underlying molecular regulation of Hnrnph1 .### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.