Affordable sequencing and genotyping methods are essential for large scale genome-wide association studies. While genotyping microarrays and reference panels for imputation are available for human subjects, non-human model systems often lack such options. Our lab previously demonstrated an efficient and cost-effective method to genotype heterogeneous stock rats using double-digest genotyping-by-sequencing. However, low-coverage whole-genome sequencing offers an alternative method that has several advantages. Here, we describe a cost-effective, high-throughput, high-accuracy genotyping method for N/NIH heterogeneous stock rats that can use a combination of sequencing data previously generated by double-digest genotyping-by-sequencing and more recently generated by low-coverage whole-genome-sequencing data. Using double-digest genotyping-by-sequencing data from 5,745 heterogeneous stock rats (mean 0.21x coverage) and low-coverage whole-genome-sequencing data from 8,760 heterogeneous stock rats (mean 0.27x coverage), we can impute 7.32 million bi-allelic single-nucleotide polymorphisms with a concordance rate >99.76% compared to high-coverage (mean 33.26x coverage) whole-genome sequencing data for a subset of the same individuals. Our results demonstrate the feasibility of using sequencing data from double-digest genotyping-by-sequencing or low-coverage whole-genome-sequencing for accurate genotyping, and demonstrate techniques that may also be useful for other genetic studies in non-human subjects.

Abstract Environmental DNA (eDNA) analysis has gained traction as a precise and cost effective method for species and waterways management. To date, publications on eDNA protocol optimization have focused primarily on DNA yield. Therefore, it has not been possible to evaluate the cost and speed of specific components of the eDNA protocol, such as water filtration and DNA extraction method when designing or choosing an eDNA pipeline. At the same time, these two parameters are essential for the experimental design of a project. Here we evaluate and rank different eDNA protocols in the context of Chinook salmon ( Oncorhynchus tshawytscha ) eDNA detection in an aquatic environment, the San Francisco Estuary. We present a comprehensive evaluation of multiple eDNA protocol parameters, balancing time, cost and DNA yield. For estuarine waters, which are challenging for eDNA studies due to high turbidity, variable salinity, and the presence of PCR inhibitors, we find that a protocol combining glass filters and magnetic beads, along with an extra step for PCR inhibitor removal, is the method that best balances time, cost, and yield. In addition, we provide a generalized decision tree for determining the optimal eDNA protocol for other studies on aquatic systems. Our findings should be applicable to most aquatic environments and provide a clear guide for determining which eDNA pipeline should be used for a given environmental condition. Author Summary The use of environmental DNA (eDNA) analysis for monitoring wildlife has steadily grown in recent years. Though, due to differences in the ecology of the environment studied and the novelty of the technique, eDNA currently shows a lack of standards compared to other fields. Here we take a deep look into each step of an eDNA assay, looking at common protocols and comparing their efficiencies in terms of time to process the samples, cost and how much DNA is recovered. We then analyze the data to provide a concise interpretation of best practices given different project constraints. For the conditions of the San Francisco Estuary we suggest the use of glass fiber filtration, the use of paramagnetic beads for DNA extraction and the use of a secondary inhibitor removal. We expect our findings to provide better support for managers to decide their standards ahead of project submission not only for estuarine conditions but for other waterine conditions alike.

Delay discounting refers to the behavioral tendency to devalue rewards as a function of their delay in receipt. Heightened delay discounting has been associated with substance use disorders and multiple co-occurring psychopathologies. Human and animal genetic studies have established that delay discounting is heritable, but only a few associated genes have been identified. We aimed to identify novel genetic loci associated with delay discounting through a genome-wide association study (GWAS) using Heterogeneous Stock (HS) rats, a genetically diverse outbred population derived from eight inbred founder strains. We assessed delay discounting in 650 male and female HS rats using an adjusting amount procedure in which rats chose between smaller immediate sucrose rewards or a larger reward at various delays. Preference switch points were calculated and both exponential and hyperbolic functions were fitted to these indifference points. Area under the curve (AUC) and the discounting parameter k of both functions were used as delay discounting measures. GWAS for AUC, exponential k, and one indifference point identified significant loci on chromosomes 20 and 14. The gene Slc35f1, which encodes a member of the solute carrier family, was the sole gene within the chromosome 20 locus. That locus also contained an eQTL for Slc35f1, suggesting that heritable differences in the expression might be responsible for the association with behavior. Adgrl3, which encodes a latrophilin subfamily G-protein coupled receptor, was the sole gene within the chromosome 14 locus. These findings implicate novel genes in delay discounting and highlight the need for further exploration.

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 Age-related hearing impairment is the most common cause of hearing loss and is one of the most prevalent conditions affecting the elderly globally. It is influenced by a combination of environmental and genetic factors. The mouse and human inner ears are functionally and genetically homologous. Investigating the genetic basis of age-related hearing loss (ARHL) in an outbred mouse model may lead to a better understanding of the molecular mechanisms of this condition. We used Carworth Farms White (CFW) outbred mice, because they are genetically diverse and exhibit variation in the onset and severity of ARHL. The goal of this study was to identify genetic loci involved in regulating ARHL. Hearing at a range of frequencies was measured using Auditory Brainstem Response (ABR) thresholds in 946 male and female CFW mice at the age of 1, 6, and 10 months. We obtained genotypes at 4.18 million single nucleotide polymorphisms (SNP) using low-coverage (mean coverage 0.27x) whole-genome sequencing followed by imputation using STITCH. To determine the accuracy of the genotypes we sequenced 8 samples at >30x coverage and used calls from those samples to estimate the discordance rate, which was 0.45%. We performed genetic analysis for the ABR thresholds for each frequency at each age, and for the time of onset of deafness for each frequency. The SNP heritability ranged from 0 to 42% for different traits. Genome-wide association analysis identified several regions associated with ARHL that contained potential candidate genes, including Dnah11 , Rapgef5 , Cpne4 , Prkag2 , and Nek11 . We confirmed, using functional study, that Prkag2 deficiency causes age-related hearing loss at high frequency in mice; this makes Prkag2 a candidate gene for further studies. This work helps to identify genetic risk factors for ARHL and to define novel therapeutic targets for the treatment and prevention of ARHL.

The increased prevalence of opioid use disorder (OUD) makes it imperative to disentangle the biological mechanisms contributing to individual differences in OUD vulnerability. OUD shows strong heritability, however genetic variants contributing toward vulnerability remain poorly defined. We performed a genome-wide association study using over 850 male and female heterogeneous stock (HS) rats to identify genes underlying behaviors associated with OUD such as nociception, as well as heroin-taking, extinction and seeking behaviors. By using an animal model of OUD, we were able to identify genetic variants associated with distinct OUD behaviors while maintaining a uniform environment, an experimental design not easily achieved in humans. Furthermore, we used a novel non-linear network-based clustering approach to characterize rats based on OUD vulnerability to assess genetic variants associated with OUD susceptibility. Our findings confirm the heritability of several OUD-like behaviors, including OUD susceptibility. Additionally, several genetic variants associated with nociceptive threshold prior to heroin experience, heroin consumption, escalation of intake, and motivation to obtain heroin were identified.

Genetic correlations between traits are a common first step in studies identifying causal genetic pathways and mechanisms. Using this framework with inbred or selected lines, however, requires intensive labor investment through breeding and phenotyping, and is prone to confounding, as observed trait correlations do not necessarily reflect a causative genetic architecture shared between distinct populations. When drawn from a single outbred population, genetic trait predictions offer a viable alternative to experimental phenotyping and can be used to identify putative genetic correlations when samples with divergent trait predictions also diverge in a second measured trait. Here, we present a novel research paradigm and service called RATTACA, in which genotypes from Heterogenous Stock (HS) rats are used to predict trait values using linear mixed models. These predictions are used to select samples of individuals with high and low extreme trait values, facilitating (1) a priori sampling of desired trait values without oversampling across phenotypic space and (2) easy identification of putative genetic correlations between predicted and newly measured traits. We validated prediction models using four example phenotypes with measured trait values and found sufficient accuracy to distinguish extreme trait samples, even when using a small number of genome-wide variants (n = 50,000) for traits with modest heritability (h2 = 0.13). Given genotypes and trait measurements available through previous research in HS rats, we propose RATTACA as a service to reliably predict more than 80 behavioral and physiological traits.

Delay discounting refers to the behavioral tendency to devalue rewards as a function of their delay in receipt. Heightened delay discounting has been associated with substance use disorders, as well as multiple co-occurring psychopathologies. Genetic studies in humans and animal models have established that delay discounting is a heritable trait, but only a few specific genes have been associated with delay discounting. Here, we aimed to identify novel genetic loci associated with delay discounting through a genome-wide association study (GWAS) using Heterogenous Stock rats, a genetically diverse outbred population derived from eight inbred founder strains. We assessed delay discounting in 650 male and female rats using an adjusting amount procedure in which rats chose between smaller immediate sucrose rewards or a larger reward at variable delays. Preference switch points were calculated for each rat and both exponential and hyperbolic functions were fitted to these indifference points. Area under the curve (AUC) and the discounting parameter

Genome-wide association studies typically evaluate the autosomes and sometimes the X Chromosome, but seldom consider the Y or mitochondrial Chromosomes. We genotyped the Y and mitochondrial chromosomes in heterogeneous stock rats (Rattus norvegicus), which were created in 1984 by intercrossing eight inbred strains and have subsequently been maintained as an outbred population for 100 generations. As the Y and mitochondrial Chromosomes do not recombine, we determined which founder had contributed these chromosomes for each rat, and then performed association analysis for all complex traits (n=12,055; intersection of 12,116 phenotyped and 15,042 haplotyped rats). We found the eight founders had 8 distinct Y and 4 distinct mitochondrial Chromosomes, however only two of each were observed in our modern heterogeneous stock rat population (Generations 81-97). Despite the unusually large sample size, the p-value distribution did not deviate from expectations; there were no significant associations for behavioral, physiological, metabolome, or microbiome traits after correcting for multiple comparisons. However, both Y and mitochondrial Chromosomes were strongly associated with expression of a few genes located on those chromosomes, which provided a positive control. Our results suggest that within modern heterogeneous stock rats there are no Y and mitochondrial Chromosomes differences that strongly influence behavioral or physiological traits. These results do not address other ancestral Y and mitochondrial Chromosomes that do not appear in modern heterogeneous stock rats, nor do they address effects that may exist in other rat populations, or in other species.