The goal of the Complex Trait Consortium is to promote the development of resources that can be used to understand, treat and ultimately prevent pervasive human diseases. Existing and proposed mouse resources that are optimized to study the actions of isolated genetic loci on a fixed background are less effective for studying intact polygenic networks and interactions among genes, environments, pathogens and other factors. The Collaborative Cross will provide a common reference panel specifically designed for the integrative analysis of complex systems and will change the way we approach human health and disease.

Coat colors in the chestnut horse, the yellow Labrador retriever, the red fox, and one type of yellow mouse are due to recessive alleles at the extension locus. Similarly, dominant alleles at this locus are often responsible for dark coat colors in mammals, such as the melanic form of the leopard, Panthera pardus. We show here that the murine extension locus encodes the melanocyte-stimulating hormone (MSH) receptor. In mice, the recessive yellow allele (e) results from a frameshift that produces a prematurely terminated, nonfunctioning receptor. The sombre (Eso and Eso−3J) and tobacco darkening (Etob) alleles, which both have dominant melanizing effects, result from point mutations that produce hyperactive MSH receptors. The Eso−3J receptor is constitutively activated, while the Etob receptor remains hormone responsive and produces a greater activation of its effector, adenylyl cyclase, than does the wild-type allele.

Chromosome substitution strains (CSSs) have been proposed as a simple and powerful way to identify quantitative trait loci (QTLs) affecting developmental, physiological, and behavioral processes. Here, we report the construction of a complete CSS panel for a vertebrate species. The CSS panel consists of 22 mouse strains, each of which carries a single chromosome substituted from a donor strain (A/J) onto a common host background (C57BL/6J). A survey of 53 traits revealed evidence for 150 QTLs affecting serum levels of sterols and amino acids, diet-induced obesity, and anxiety. These results demonstrate that CSSs greatly facilitate the detection and identification of genes that control the wide diversity of naturally occurring phenotypic variation in the A/J and C57BL/6J inbred strains.

The phenotype of Ter testicular germ cell tumour susceptibility gene was first described more than 30 years ago, but it has taken until now for the identity of the gene to be discovered. Ter is a mutation inducing a termination codon on the mouse version of the dead end gene, known from zebrafish embryos. It encodes a protein with an RNA recognition motif, thus implicating RNA biology in testicular tumour development. In mice, the Ter mutation causes primordial germ cell (PGC) loss in all genetic backgrounds1. Ter is also a potent modifier of spontaneous testicular germ cell tumour (TGCT) susceptibility in the 129 family of inbred strains, and markedly increases TGCT incidence in 129-Ter/Ter males2,3,4. In 129-Ter/Ter mice, some of the remaining PGCs transform into undifferentiated pluripotent embryonal carcinoma cells2,3,4,5,6, and after birth differentiate into various cells and tissues that compose TGCTs. Here, we report the positional cloning of Ter, revealing a point mutation that introduces a termination codon in the mouse orthologue (Dnd1) of the zebrafish dead end (dnd) gene. PGC deficiency is corrected both with bacterial artificial chromosomes that contain Dnd1 and with a Dnd1-encoding transgene. Dnd1 is expressed in fetal gonads during the critical period when TGCTs originate. DND1 has an RNA recognition motif and is most similar to the apobec complementation factor, a component of the cytidine to uridine RNA-editing complex. These results suggest that Ter may adversely affect essential aspects of RNA biology during PGC development. DND1 is the first protein known to have an RNA recognition motif directly implicated as a heritable cause of spontaneous tumorigenesis. TGCT development in the 129-Ter mouse strain models paediatric TGCT in humans. This work will have important implications for our understanding of the genetic control of TGCT pathogenesis and PGC biology.

The genetic architecture of complex traits underlying physiology and disease in most organisms remains elusive. We still know little about the number of genes that underlie these traits, the magnitude of their effects, or the extent to which they interact. Chromosome substitution strains (CSSs) enable statistically powerful studies based on testing engineered inbred strains that have single, unique, and nonoverlapping genetic differences, thereby providing measures of phenotypic effects that are attributable to individual chromosomes. Here, we report a study of phenotypic effects and gene interactions for 90 blood, bone, and metabolic traits in a mouse CSS panel and 54 traits in a rat CSS panel. Two key observations emerge about the genetic architecture of these traits. First, the traits tend to be highly polygenic: across the genome, many individual chromosome substitutions each had significant phenotypic effects and, within each of the chromosomes studied, multiple distinct loci were found. Second, strong epistasis was found among the individual chromosomes. Specifically, individual chromosome substitutions often conferred surprisingly large effects (often a substantial fraction of the entire phenotypic difference between the parental strains), with the result that the sum of these individual effects often dramatically exceeded the difference between the parental strains. We suggest that strong, pervasive epistasis may reflect the presence of several phenotypically-buffered physiological states. These results have implications for identification of complex trait genes, developmental and physiological studies of phenotypic variation, and opportunities to engineer phenotypic outcomes in complex biological systems.

We propose an innovative, integrated, cost-effective health system to combat major non-communicable diseases (NCDs), including cardiovascular, chronic respiratory, metabolic, rheumatologic and neurologic disorders and cancers, which together are the predominant health problem of the 21st century. This proposed holistic strategy involves comprehensive patient-centered integrated care and multi-scale, multi-modal and multi-level systems approaches to tackle NCDs as a common group of diseases. Rather than studying each disease individually, it will take into account their intertwined gene-environment, socio-economic interactions and co-morbidities that lead to individual-specific complex phenotypes. It will implement a road map for predictive, preventive, personalized and participatory (P4) medicine based on a robust and extensive knowledge management infrastructure that contains individual patient information. It will be supported by strategic partnerships involving all stakeholders, including general practitioners associated with patient-centered care. This systems medicine strategy, which will take a holistic approach to disease, is designed to allow the results to be used globally, taking into account the needs and specificities of local economies and health systems.

Abstract Background Dopaminergic neurons in the midbrain are of particular interest due to their role in diseases such as Parkinson’s disease and schizophrenia. Genetic variation between individuals can affect the integrity and function of dopaminergic neurons but the DNA variants and molecular cascades modulating dopaminergic neurons and other cells types of ventral midbrain remain poorly defined. Three genetically diverse inbred mouse strains — C57BL/6J, A/J, and DBA/2J — differ significantly in their genomes (~7 million variants), motor and cognitive behavior, and susceptibility to neurotoxins. Results To further dissect the underlying molecular networks responsible for these variable phenotypes, we generated RNA-seq and ChIP-seq data from ventral midbrains of the 3 mouse strains. We defined 1000–1200 transcripts that are differentially expressed among them. These widespread differences may be due to altered activity or expression of upstream transcription factors. Interestingly, transcription factors were significantly underrepresented among the differentially expressed genes, and only one TF, Pttg1 , showed significant differences among all strains. The changes in Pttg1 expression were accompanied by consistent alterations in histone H3 lysine 4 trimethylation at Pttg1 transcription start site. The ventral midbrain transcriptome of three-month-old C57BL/6J congenic Pttg1 -/- mutants was only modestly altered, but shifted towards that of A/J and DBA/2J in nine-month-old mice. Principle component analysis identified the genes underlying the transcriptome shift and deconvolution of these bulk RNA-seq changes using midbrain single cell RNA-seq data suggested that the changes were occurring in several different cell types, including neurons, oligodendrocytes, and astrocytes. Conclusion Taken together, our results show that Pttg1 contributes to gene regulatory variation between mouse strains and influences mouse midbrain transcriptome during aging.