Implementation and application of bioinformatics methods to analyze and visualize single-cell RNA-sequencing data

Implementierung und Anwendung von bioinformatischen Methoden zur Analyse und Visualisierung von Einzelzell-Sequenzierungsdaten

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-269258
  • RNA sequencing (RNA-seq) has become a transformative method to profile genome-wide gene expression and whole transcriptome analysis over the last decade. In recent years, with the development of new technologies, it has become possible to study gene expression at single-cell level. This new advances in single-cell RNA-sequencing has revolutionized the way scientists study biological processes. Single-cell RNA-sequencing has been used in different areas to better understand the underlying mechanisms of biological processes. In particular,RNA sequencing (RNA-seq) has become a transformative method to profile genome-wide gene expression and whole transcriptome analysis over the last decade. In recent years, with the development of new technologies, it has become possible to study gene expression at single-cell level. This new advances in single-cell RNA-sequencing has revolutionized the way scientists study biological processes. Single-cell RNA-sequencing has been used in different areas to better understand the underlying mechanisms of biological processes. In particular, single-RNA-sequencing is a suitable method to study infectious diseases. Infection is composed of heterogeneous mechanisms on either the host or pathogen side and the best way to understand the heterogeneity of these mechanisms and how they interact with each other is to study infectious diseases at the single-cell level. Studying infection processes at the single-cell level can reveal not only the heterogeneity but also the dynamics of infection and the interplay between the host and pathogen at the molecular level. In this thesis, we implemented and applied different single-cell RNA-seq technologies to better understand infectious diseases. In the present work, we conducted four independent but related research works to shed light on different aspects of infection biology: ● We took advantage of this novel technology to study the consequences of RSV infection on primary human epithelial cells. The primary human epithelial cells were collected from six donors and cultured in air liquid interface (ALI) cell culture inoculated with respiratory syncytial virus (RSV). In this project, we discovered ciliated cells as the susceptible cell types in RSV infection. We applied viral load as an indicator of infection progression and used it to reconstruct the dynamics of host response to RSV infection. Reconstruction of the dynamics of infection revealed many host genes and pathways that were suppressed or induced as a result of RSV infection. Pathways related to innate immune response and interferon response were suppressed during the progression of infection and on the other hand pathways like protein targeting to endoplasmic reticulum and apoptosis were induced. ● We developed a new method which is capable of sequencing the transcriptome of a bacterium at the single-cell level and potentially can help us to characterize the bacterial heterogeneity during the course of infection. In this research project, bacteria were cultured in three different culture conditions namely Late stationary phase, Anaerobic shock and NaCl shock and we used a poly(A)-independent single-cell RNA-sequencing protocol to sequence bacteria at the single-cell level. In this work, we report the faithful capture of growth-dependent gene expression patterns in individual Salmonella and Pseudomonas bacteria. The results of our analysis showed that not only we could capture transcripts across different RNA classes but also our method is capable of discerning the transcriptome of bacteria across different culture conditions. ● We used single-cell RNA-sequencing technology to characterize the immune cells landscape over the course of atherosclerosis. Atherosclerosis is considered a cardiac disease which is highly related to infections and previous infections with bacteria or viruses is considered as a risk factor for atherosclerosis. We performed single-cell RNA sequencing of aortic CD45+ cells extracted from healthy and atherosclerotic aorta of mice. We managed to find certain cell populations which were specifically present in atherosclerotic mice. One of the atheroschelorotic populations was previously undescribed TREM2high macrophages showing enrichment in Trem2 gene expression. This population of macrophages seemed to be involved in functions like lipid metabolism and catabolism and lesion calcification. This work revealed the phenotypic heterogeneity and immune cells landscape of different immune cell populations at different stages of atherosclerosis. Our work paves the way to better describe the relation between different infectious diseases and cardiovascular diseases. ● We developed a web-based platform called Infection Atlas to browse and visualize single-cell RNA-sequencing data. Infection Atlas platform provides a user-friendly interface to study different aspects of infectious diseases at the single-cell level and can potentially promote targeted approaches to intervene in infectious diseases. This platform which is available at infection-atlas.org in the short term provides a user-friendly interface to browse and visualize different aspects of infectious diseases and in the long-term is expected to be a comprehensive atlas of infection in human and mouse across different tissues and different pathogens. Overall, in this thesis we provide a framework to study infectious diseases at the single cell level with providing novel data analysis methods and this thesis paves the way for future studies to study host-pathogen encounters at the single-cell level.show moreshow less
  • RNA-Sequenzierung (RNA-Seq) ist in den letzten zehn Jahren zu einer revolutionären Technik für genomweite Genexpressionsanalysen, sowie für Gesamt-Transkriptom-Analysen geworden. In den letzten Jahren ist es mit der Entwicklung neuer Technologien möglich geworden die Genexpression auf Einzelzell-Niveau zu untersuchen. Diese Fortschritte in der Einzelzell-RNA- Sequenzierung haben die Art wie Wissenschaftler biologische Prozesse betrachten von Grund auf verändert. Einzelzell-Sequenzierung wird in unterschiedlichen Bereichen angewendet, um dieRNA-Sequenzierung (RNA-Seq) ist in den letzten zehn Jahren zu einer revolutionären Technik für genomweite Genexpressionsanalysen, sowie für Gesamt-Transkriptom-Analysen geworden. In den letzten Jahren ist es mit der Entwicklung neuer Technologien möglich geworden die Genexpression auf Einzelzell-Niveau zu untersuchen. Diese Fortschritte in der Einzelzell-RNA- Sequenzierung haben die Art wie Wissenschaftler biologische Prozesse betrachten von Grund auf verändert. Einzelzell-Sequenzierung wird in unterschiedlichen Bereichen angewendet, um die grundlegenden Mechanismen biologischer Prozesse besser zu verstehen. Besonders Einzelzell-Sequenzierung ist eine geeignete Methode, um Infektionskrankheiten zu untersuchen. Infektionen sind durch heterogene Mechanismen auf Wirts- und Erreger Seite gekennzeichnet. Der beste Weg die Heterogenität dieser Mechanismen zu verstehen und wie sie interagieren ist die Analyse von Infektionskrankheiten auf Einzelzell-Niveau. Untersuchungen von Infektionsprozessen auf Einzelzell-Ebene können nicht nur die Heterogenität, sondern auch die Dynamik einer Infektion und das Wechselspiel zwischen Wirt und Pathogen auf molekularer Stufe aufzeigen. In dieser Dissertation wurden unterschiedliche Einzelzell-RNA-Sequenzierung Technologien implementiert und angewandt um ein besseres Verständnis von Infektionskrankheiten zu erlangen. In der vorliegenden Arbeit haben wir vier unabhängige, aber verwandte Forschungsarbeiten durchgeführt, um unterschiedliche Aspekte von Infektionsbiologie näher zu betrachten. ● Wir nutzten die Vorteile dieser neuen Technologie, um die Konsequenzen einer RSV Infektion bei primären humanen Epithelzellen zu untersuchen. Die primären humanen Epithelzellen stammten von sechs Spendern und wurden in Luft-Flüssigkeits-Grenzflächen (ALI) Zellkultur mit dem Respiratorischen Syncytial-Virus (kurz RS-Virus) infiziert. In diesem Projekt konnten wir ciliierte Zellen als anfällige Zelltypen einer RSV Infektion zeigen. Wir haben die Viruslast als Indikator für den Fortschritt der Infektion herangezogen, als auch für die Rekonstruktion der Wirtsantwort Dynamik gegenüber einer RSV Infektion. Die Rekonstruktion der Infektionsdynamik zeigte viele Wirtsgene und Signalwege, die durch die RSV Infektion unterdrückt oder induziert wurden. Signalwege, die mit der angeborenen Immunantwort und der Interferonantwort assoziiert waren, wurden durch die fortschreitende Infektion unterdrückt und andererseits waren Signalwege, wie die Zielsteuerung von Proteinen zum endoplasmatischen Retikulum und Apoptose induziert. ● Wir haben eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht das Transkriptom eines Bakteriums auf Einzelzell-Niveau zu sequenzieren und potenziell helfen könnte die bakterielle Heterogenität während des Verlaufs einer Infektion zu charakterisieren. In diesem Forschungsprojekt wurden Bakterien unter folgenden drei unterschiedlichen Konditionen angezogen: Späte stationäre Phase, anaerober Schock und Natriumchlorid Schock. Anschließend wendeten wir ein poly(A) unabhängiges Einzelzell-RNA Sequenzier-Protokoll an, um Bakterien auf Einzelzell-Niveau zu sequenzieren. In dieser Arbeit berichten wir die von wachstumsabhängigen Genexpressionsmustern in einzelnen Salmonellen und Pseudomonaden. Das Ergebnis unserer Analyse zeigte, dass wir nicht nur Transkripte unterschiedlicher RNA-Klassen, sondern auch das Transkriptom von Bakterien in unterschiedlichen Wachstumsbedingungen erfassen können. ● Wir haben Einzelzell-RNA Sequenzierungs-Technologien verwendet, um die Immunzellen Zusammensetzung während des Verlaufs der Athereosklerose zu betrachten. Die Atherosklerose wird als Herzkrankheit betrachtet, die eng mit Infektionen in Zusammenhang gebracht wird. Vorherige Infektionen mit Bakterien oder Viren werden als Risikofaktor für Atherosklerose angenommen. Wir haben für aortische CD45 Zellen von der gesunden und atherosklerotischen Aorta von Mäusen Einzelzell-RNA-Sequenzierungen durchgeführt. Hierbei konnten wir bestimmte Zellpopulationen identifizieren, die spezifisch in atherosklerotischen Mäusen vorkommen. Eine der athereosklerotischen Populationen war eine zuvor unbeschriebene TREM2high Makrophagen Population, die eine erhöhte Trem2 Genexpression zeigte. Diese Population von Makrophagen schien in Funktionen wie Lipid Metabolismus, Katabolismus, sowie Kalzifizierung von Verletzungen involviert zu sein. Diese Arbeit hat die phänotypische Heterogenität und das Feld unterschiedlicher Immunzellpopulationen in unterschiedlichen Stadien der Atherosklerose aufgezeigt. Unsere Arbeit bereitet den Weg, um die Beziehung zwischen unterschiedlichen Infektionskrankheiten und kardiovaskulären Krankheiten besser zu beschreiben. ● Wir haben eine webbasierte Plattform namens „Infektionsatlas“ entwickelt, um Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdaten zu visualisieren und zu durchsuchen. Die „Infektionsatlas“ Plattform stellt eine nutzerfreundliche Oberfläche zur Untersuchung von unterschiedlichen Aspekten von Infektionskrankheiten auf Einzelzell-Niveau bereit und kann möglicherweise zielgerichtete Ansätze voranzutreiben, um Infektionskrankheiten zu verhindern. Diese Plattform, die unter „infection-atlas.org“ verfügbar ist, bietet im Moment eine nutzerfreundliche Oberfläche zum Durchsuchen und Darstellen unterschiedlicher Aspekte von Infektionskrankheiten. Langfristig soll es ein umfangreicher Atlas für Infektionen in Maus und Mesch in unterschiedlichen Geweben und unterschiedlichen Pathogenen. Insgesamt stellen wir in dieser Dissertation einen Rahmen zur Untersuchung von Infektionskrankheiten auf Einzelzell-Ebene mit neuen Methoden für die Datenanalyse zur Verfügung und bereiten den Weg für weitere Studien um Wirts-Pathogen Interaktionen auf Einzellzell-Niveau zu untersuchen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ehsan VafadarnejadGND
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-269258
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Referee:Dr. Antoine-Emmanuel Saliba
Date of final exam:2021/08/26
Language:English
Year of Completion:2022
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-26925
Sonstige beteiligte Institutionen:Helmholtz Institute for RNA-based Infection Research (HIRI)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Einzelzellanalyse
Release Date:2022/04/25
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht