Vitamin B 3 protects mice from glaucoma Glaucoma is the most common cause of age-related blindness in the United States. There is currently no cure, and once vision is lost, the condition is irreversible. Williams et al. now report that vitamin B 3 (also known as niacin) prevents eye degeneration in glaucoma-prone mice (see the Perspective by Crowston and Trounce). Supplementing the diets of young mice with vitamin B 3 averted early signs of glaucoma. Vitamin B 3 also halted further glaucoma development in aged mice that already showed signs of the disease. Thus, healthy intake of vitamin B 3 may protect eyesight. Science , this issue p. 756 ; see also p. 688

Irritable bowel syndrome (IBS) is a common disorder characterized by altered gut function and often is accompanied by comorbid anxiety. Although changes in the gut microbiota have been documented, their relevance to the clinical expression of IBS is unknown. To evaluate a functional role for commensal gut bacteria in IBS, we colonized germ-free mice with the fecal microbiota from healthy control individuals or IBS patients with diarrhea (IBS-D), with or without anxiety, and monitored gut function and behavior in the transplanted mice. Microbiota profiles in recipient mice clustered according to the microbiota profiles of the human donors. Mice receiving the IBS-D fecal microbiota showed a taxonomically similar microbial composition to that of mice receiving the healthy control fecal microbiota. However, IBS-D mice showed different serum metabolomic profiles. Mice receiving the IBS-D fecal microbiota, but not the healthy control fecal microbiota, exhibited faster gastrointestinal transit, intestinal barrier dysfunction, innate immune activation, and anxiety-like behavior. These results indicate the potential of the gut microbiota to contribute to both intestinal and behavioral manifestations of IBS-D and suggest the potential value of microbiota-directed therapies in IBS patients.

Summary Alzheimer’s disease (AD), the leading cause of dementia, affects millions of people worldwide. With no disease-modifying medication currently available, the human toll and economic costs are rising rapidly. Under current standards, a patient is diagnosed with AD when both cognitive decline and pathology (amyloid plaques and neurofibrillary tangles) are present. Remarkably, some individuals who have AD pathology remain cognitively normal. Uncovering factors that lead to “cognitive resilience” to AD is a promising path to create new targets for therapies. However, technical challenges discovering novel human resilience factors limit testing, validation, and nomination of novel drugs for AD. In this study, we use single-nucleus transcriptional profiles of postmortem cortex from human individuals with high AD pathology who were either cognitively normal (resilient) or cognitively impaired (susceptible) at time of death, as well as mouse strains that parallel these differences in cognition with high amyloid load. Our cross-species discovery approach highlights a novel role for excitatory layer 4/5 cortical neurons in promoting cognitive resilience to AD, and nominates several resilience genes that include ATP1A1 , GRIA3 , KCNMA1 , and STXBP1 . This putative cell type has been implicated in resilience in previous studies on bulk RNA-seq tissue, but our single-nucleus and cross-species approach identifies particular resilience-associated gene signatures in these cells. These novel resilience candidate genes were tested for replication in orthogonal data sets and confirmed to be correlated with cognitive resilience. Based on these gene signatures, we identified several potential mechanisms of resilience, including regulation of synaptic plasticity, axonal and dendritic development, and neurite vesicle transport along microtubules that are potentially targetable by available therapeutics. Because our discovery of resilience-associated genes in layer 4/5 cortical neurons originates from an integrated human and mouse transcriptomic space from susceptible and resilient individuals, we are positioned to test causality and perform mechanistic, validation, and pre-clinical studies in our human-relevant AD-BXD mouse panel.

Abstract Multi-parent populations (MPPs), genetically segregating model systems derived from two or more inbred founder strains, are widely used in biomedical and agricultural research. Gene expression profiling by direct RNA sequencing (RNA-Seq) is commonly applied to MPPs to investigate gene expression regulation and to identify candidate genes. In genetically diverse populations, including most MPPs, quantification of gene expression is improved when the RNA-Seq reads are aligned to individualized transcriptomes that incorporate known polymorphic loci. However, the process of constructing and analyzing individual genomes can be computationally demanding and error prone. We propose a new approach, genome reconstruction by RNA-Seq (GBRS), that relies on simultaneous alignment of RNA-Seq reads to the founder strain transcriptomes. GBRS can reconstruct the diploid genome of each individual and quantify both total and allele-specific gene expression. We demonstrate that GBRS performs as well as methods that rely on high-density genotyping arrays to reconstruct the founder haplotype mosaic of MPP individuals. Using GBRS in addition to other genotyping methods provides quality control for detecting sample mix-ups and improves power to detect expression quantitative trait loci. GBRS software is freely available at https://github.com/churchill-lab/gbrs .

Abstract Concerns about external validity of rodent models and translation of findings across species are often based on narrow investigations of populations with limited diversity. Sources of individual variation – including genetics and sex – are only infrequently encompassed in model organism studies. As with most complex diseases, risk for cocaine use disorder is subject to considerable inter-individual variation. Explicit inclusion of individual differences in rodent research may reveal conserved phenotypes and molecular systems relevant to human addiction. We surveyed cocaine-related traits in both males and females of eight inbred mouse strains whose genomes collectively capture 90% of the genetic diversity of the mouse species. Across these strains, individual differences explained a substantial proportion of variance in cocaine-responsive or cocaine response-predictive behavioral and physiological phenotypes. Wild-derived mouse strains often extended the phenotypic ranges of these behaviors beyond what is observed in conventional laboratory strains. Striatum transcriptional responses to cocaine were also highly dependent upon strain and sex differences; most cocaine-responsive genes were differentially expressed in a manner moderated by strain, sex, or their combination. We compared the strain- and sex-mediated transcriptional responses to cocaine in mice to transcriptomic analysis of people with cocaine use disorder and found that mouse similarity to humans was highly dependent upon mouse genetic background and sex. Specifically, male WSB/EiJ mice and female NOD/ShiLtJ mice exhibited the greatest degree of neural transcriptional consilience with humans with cocaine use disorder. Model organism diversity thus represents a crucial source of biological information that can substantially improve external validity of neuropsychiatric research. Significance Statement Laboratory mice are widely used in research on neurobiological mechanisms of addiction, but most studies use a single strain and often sex of mice. To assess how individual differences in mice modulate addiction-related traits and how this impacts comparative analysis with humans, we studied cocaine-relevant behaviors and brain molecular correlates in both males and females of genetically diverse mouse strains. In this population, individual differences related to sex and/or genetics explain large proportions of differences in cocaine-related traits. Importantly, brain gene expression data demonstrated that some strains mimic human genomic states more readily than others. Individual differences thus represent a crucial and underdeveloped source of biological information about addiction mechanisms that may influence the translational utility of such studies.

Abstract Drugs of abuse, including alcohol and stimulants like cocaine, produce effects that are subject to individual variability, and genetic variation accounts for at least a portion of those differences. Notably, research in both animal models and human subjects point towards reward sensitivity and impulsivity as being trait characteristics that predict relatively greater positive subjective responses to stimulant drugs. Here we describe use of the eight Collaborative Cross (CC) founder strains and multiple CC strains to examine the heritability of reward sensitivity and impulsivity traits, as well as genetic correlations between these measures and existing addiction-related phenotypes. Methods . Strains were all tested for activity in an open field and reward sensitivity (intake of chocolate BOOST®). Mice were then divided into two counterbalanced groups and underwent reversal learning (impulsive action and waiting impulsivity) or delay discounting (impulsive choice). Results . CC and founder mice demonstrate significant heritability for impulsive action, impulsive choice, waiting impulsivity, locomotor activity, and reward sensitivity, with each impulsive phenotype determined to be non-correlating, independent traits. This research was conducted within the broader, inter-laboratory effort of the Center for Systems Neurogenetics of Addiction (CSNA) to characterize CC and DO mice for multiple, cocaine abuse related traits. These data will facilitate the discovery of genetic correlations between predictive traits, which will then guide discovery of genes and genetic variants that contribute to addictive behaviors.

Abstract Background Inter-individual variation in voluntary ethanol consumption and ethanol response is partially influenced by genetic variation. Discovery of the genes and allelic variants that affect these phenotypes may clarify the etiology and pathophysiology of problematic alcohol use, including alcohol use disorder. Genetically diverse mouse populations also demonstrate heritable variation in ethanol consumption and can be utilized to discover the genes and gene networks that influence this trait. The Collaborative Cross (CC) recombinant inbred strains, Diversity Outbred (DO) population and their eight founder strains are complementary mouse resources that capture substantial genetic diversity and can demonstrate expansive phenotypic variation in heritable traits. These populations may be utilized to discover candidate genes and gene networks that moderate ethanol consumption and other ethanol-related traits. Methods We characterized ethanol consumption, preference and pharmacokinetics in the eight founder strains and ten CC strains in 12-hour drinking sessions during the dark phase of the circadian cycle. Results Ethanol consumption was found to be substantially heritable, both early in ethanol access and over a chronic intermittent access schedule. Ethanol pharmacokinetics were also found to be heritable; however, no association between strain-level ethanol consumption and pharmacokinetics was detected. The PWK/PhJ strain was found to be the highest drinking strain, with consumption substantially exceeding C57BL/6J, a strain commonly used as a model of “high” or “binge” drinking. Notably, we found strong evidence that sex moderated genetic effects on voluntary ethanol drinking. Conclusions Collectively, this research may serve as a foundation for expanded genetic study of ethanol consumption in the CC/DO and related populations; moreover, we have identified reference strains with extreme consumption phenotypes that effectively represent polygenic models of hazardous ethanol use.

Abstract Recent studies, both clinical and experimental, indicate that many neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease (AD) often display coexisting metabolic dysfunctions, which may exacerbate neurological symptoms. The hypothalamus is a brain region highly involved in maintaining metabolic and other homeostatic processes and is known to be involved in the etiology of AD, although the role of hypothalamic dysfunction in the onset, progression, and severity of AD is poorly understood. In this study, we demonstrate that our new model of genetic diversity in AD, the AD-BXDs, exhibits non-cognitive symptoms consistent with hypothalamic dysfunction and examined hypothalamic bulk RNA sequencing data in the AD-BXD panel to investigate how the AD transgene impacts gene expression profiles in the hypothalamus. Mostly notably, we identified strong neuroinflammatory signatures from the hypothalamus in the AD-BXDs as early as six months of age. A functionally unknown WGCNA module showed correlation to female body weight and contextual fear acquisition. Eigengene expression of microglial/macrophagic modules and their hub gene expressions were correlated to cognitive phenotypes. From these analyses, we nominated Plek and Laptm5 as new targets to attenuate neuroinflammation in AD.

ABSTRACT Hundreds of inbred laboratory mouse strains and intercross populations have been used to functionalize genetic variants that contribute to disease. Thousands of disease relevant traits have been characterized in mice and made publicly available. New strains and populations including the Collaborative Cross, expanded BXD and inbred wild-derived strains add to set of complex disease mouse models, genetic mapping resources and sensitized backgrounds against which to evaluate engineered mutations. The genome sequences of many inbred strains, along with dense genotypes from others could allow integrated analysis of trait – variant associations across populations, but these analyses are not feasible due to the sparsity of genotypes available. Moreover, the data are not readily interoperable with other resources. To address these limitations, we created a uniformly dense data resource by harmonizing multiple variant datasets. Missing genotypes were imputed using the Viterbi algorithm with a data-driven technique that incorporates local phylogenetic information, an approach that is extensible to other model organism species. The result is a web– and programmatically-accessible data service called GenomeMUSter ( https://muster.jax.org ), comprising allelic data covering 657 strains at 106.8M segregating sites. Interoperation with phenotype databases, analytic tools and other resources enable a wealth of applications including multi-trait, multi-population meta-analysis. We demonstrate this in a cross-species comparison of the meta-analysis of Type 2 Diabetes and of substance use disorders, resulting in the more specific characterization of the role of human variant effects in light of mouse phenotype data. Other applications include refinement of mapped loci and prioritization of strain backgrounds for disease modeling to further unlock extant mouse diversity for genetic and genomic studies in health and disease.

Abstract The gut microbiome is thought to play a critical role in the onset and development of psychiatric disorders, including depression and substance use disorder (SUD). To test the hypothesis that the microbiome affects addiction predisposing behaviors and cocaine intravenous self-administration (IVSA) and to identify specific microbes involved in the relationship, we performed 16S rRNA gene sequencing on feces from 228 diversity outbred mice. Twelve open field measures, two light-dark assay measures, one hole board and novelty place preference measure significantly differed between mice that acquired cocaine IVSA (ACQ) and those that failed to acquire IVSA (FACQ). We found that ACQ mice are more active and exploratory and display decreased fear than FACQ mice. The microbial abundances that differentiated ACQ from FACQ mice were an increased abundance of Barnesiella, Ruminococcus , and Robinsoniella and decreased Clostridium IV in ACQ mice. There was a sex-specific correlation between ACQ and microbial abundance, a reduced Lactobacillus abundance in ACQ male mice, and a decreased Blautia abundance in female ACQ mice. The abundance of Robinsoniella was correlated, and Clostridium IV inversely correlated with the number of doses of cocaine self-administered during acquisition. Functional analysis of the microbiome composition of a subset of mice suggested that gut-brain modules encoding glutamate metabolism genes are associated with the propensity to self-administer cocaine. These findings establish associations between the microbiome composition and glutamate metabolic potential and the ability to acquire cocaine IVSA thus indicating the potential translational impact of targeting the gut microbiome or microbial metabolites for treatment of SUD. HIGHLIGHTS Correlational analysis of novelty behaviors to IVSA acquisition shows that mice that acquire cocaine IVSA are more active and exploratory and have decreased fear than those that failed-to-acquire IVSA. The gut microbiome profiling of 228 diversity outbred mice indicates the relative abundances of Barnesiella, Ruminococcus, Robinsoniella and Clostridium IV are associated with the ability to self-administer cocaine. Associations between the gut microbiome and IVSA acquisition are sex-specific. Decreased relative abundances of Lactobacillus and Blautia are associated with IVSA in male and female mice, respectively. The relative abundances of Robinsoniella and Clostridium IV were correlated with the number of infusions of self-administered cocaine. Functional potential analysis of the gut microbiome supports a role for microbiomes encoding glutamate metabolism in the ability to self-administer cocaine.