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 Opioid Use Disorder (OUD) and opioid-related deaths remain a major public health concern in the United States. Both environmental and genetic factors influence risk for OUD. We previously identified Hnrnph1 as a quantitative trait gene underlying the stimulant, rewarding, and reinforcing properties of methamphetamine. Prior work demonstrates that hnRNP H1, the RNA-binding protein encoded by Hnrnph1, post-transcriptionally regulates Oprm1 (mu opioid receptor gene) – the primary molecular target for the therapeutic and addictive properties of opioids. Because genetic variants can exert pleiotropic effects on behaviors induced by multiple drugs of abuse, in the current study, we tested the hypothesis that Hnrnph1 mutants would show reduced behavioral sensitivity to the mu opioid receptor agonist fentanyl. Hnrnph1 mutants showed reduced sensitivity to fentanyl-induced locomotor activity, along with a female-specific reduction in, and a male-specific induction of, locomotor sensitization following three, daily injections (0.2 mg/kg, i.p.). Hnrnph1 mutants also required a higher dose of fentanyl to exhibit opioid reward as measured via conditioned place preference. Male Hnrnph1 mutants showed reduced fentanyl reinforcement. Hnrnph1 mutants also showed reduced sucrose motivation, suggesting a reward deficit. No genotypic differences were observed in baseline thermal nociception, fentanyl-induced antinociception, physical or negative affective signs of opioid dependence, or in sensorimotor gating. In the context of our prior work, these findings suggest that Hnrnph1 dysfunction exerts a selective role in reducing the addiction liability to drugs of abuse (opioids and psychostimulants), which could provide new biological pathways to improve their therapeutic profiles.

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.

Sensitivity to different pain modalities has a genetic basis that remains largely unknown. Employing closely related inbred mouse substrains can facilitate gene mapping of nociceptive behaviors in preclinical pain models. We previously reported enhanced sensitivity to acute thermal nociception in C57BL/6J (B6J) versus C57BL/6N (B6N) substrains. Here, we expanded on nociceptive phenotypes and observed an increase in formalin-induced inflammatory nociceptive behaviors and paw diameter in B6J versus B6N mice (Charles River Laboratories). No strain differences were observed in mechanical or thermal hypersensitivity or in edema following the Complete Freunds Adjuvant (CFA) model of inflammatory pain, indicating specificity in the inflammatory nociceptive stimulus. In the chronic nerve constriction injury (CCI), a model of neuropathic pain, no strain differences were observed in baseline mechanical threshold or in mechanical hypersensitivity up to one month post-CCI. We replicated the enhanced thermal nociception in the 52.5 degrees Celsius hot plate test in B6J versus B6N mice from The Jackson Laboratory. Using a B6J x B6N-F2 cross (N=164), we mapped a major quantitative trait locus (QTL) underlying hot plate sensitivity to chromosome 7 that peaked at 26 Mb (LOD=3.81, p<0.01; 8.74 Mb-36.50 Mb) that was more pronounced in males. Genes containing expression QTLs (eQTLs) associated with the peak nociceptive marker that are implicated in pain and inflammation include Ryr1, Cyp2a5, Pou2f2, Clip3, Sirt2, Actn4, and Ltbp4 (FDR < 0.05). Future studies involving positional cloning and gene editing will determine the quantitative trait gene(s) and potential pleiotropy of this locus across pain modalities.

Binge eating (BE) is a heritable symptom of eating disorders with an unknown genetic etiology. Rodent models for BE of palatable food permit the study of genetic and biological mechanisms. We previously used genetic mapping and transcriptome analysis to map a coding mutation in Cyfip2 associated with increased BE in the BE-prone C57BL/6NJ substrain compared to the BE-resistant C57BL/6J substrain. The increase in BE in C57BL/6NJ mice was associated with a decrease in transcription of genes enriched for myelination in the striatum. Here, we tested the hypothesis that decreasing myelin levels with the demyelinating agent cuprizone would enhance BE. Mice were treated with a 0.3% cuprizone home cage diet for two weeks. Following a three-week recovery period, mice were trained for BE in an intermittent, limited access procedure. Cuprizone induced similar weight loss in both substrains and sexes that recovered within 48 h after removal of the cuprizone diet. Surprisingly, cuprizone reduced BE in male but not female C57BL/6NJ mice while having no effect in C57BL/6J mice. Cuprizone also reduced myelin basic protein (MBP) at seven weeks post-cuprizone removal while having no effect on myelin-associated glycoprotein (MAG) at this time point. C57BL/6N mice also showed less MBP than C57BL/6J mice. There were no statistical interactions of Treatment with Sex on MBP levels, indicating that differences in MBP are unlikely to account for sex differences in BE. To summarize, cuprizone induced an unexpected, male-specific reduction in BE which could indicate sex-specific biological mechanisms that depend on genetic background.