TY - THES A1 - Schulte, Annemarie T1 - \(In\) \(vitro\) reprogramming of glial cells from adult dorsal root ganglia into nociceptor-like neurons T1 - \(In\) \(vitro\) Reprogrammierung von Gliazellen aus adulten Spinalganglien in Nozizeptor-ähnliche Neurone N2 - Plexus injury often occurs after motor vehicle accidents and results in lifelong disability with severe neuropathic pain. Surgical treatment can partially restore motor functions, but sensory loss and neuropathic pain persist. Regenerative medicine concepts, such as cell replacement therapies for restoring dorsal root ganglia (DRG) function, set high expectations. However, up to now, it is unclear which DRG cell types are affected by nerve injury and can be targeted in regenerative medicine approaches. This study followed the hypothesis that satellite glial cells (SGCs) might be a suitable endogenous cell source for regenerative medicine concepts in the DRG. SGCs originate from the same neural crest-derived cell lineage as sensory neurons, making them attractive for neural repair strategies in the peripheral nervous system. Our hypothesis was investigated on three levels of experimentation. First, we asked whether adult SGCs have the potential of sensory neuron precursors and can be reprogrammed into sensory neurons in vitro. We found that adult mouse DRG harbor SGC-like cells that can still dedifferentiate into progenitor-like cells. Surprisingly, expression of the early developmental transcription factors Neurog1 and Neurog2 was sufficient to induce neuronal and glial cell phenotypes. In the presence of nerve growth factor, induced neurons developed a nociceptor-like phenotype expressing functional nociceptor markers, such as the ion channels TrpA1, TrpV1 and NaV1.9. In a second set of experiments, we used a rat model for peripheral nerve injury to look for changes in the DRG cell composition. Using an unbiased deep learning-based approach for cell analysis, we found that cellular plasticity responses after nerve injury activate SGCs in the whole DRG. However, neither injury-induced neuronal death nor gliosis was observed. Finally, we asked whether a severe nerve injury changed the cell composition in the human DRG. For this, a cohort of 13 patients with brachial plexus injury was investigated. Surprisingly, in about half of all patients, the injury-affected DRG showed no characteristic DRG tissue. The complete entity of neurons, satellite cells, and axons was lost and fully replaced by mesodermal/connective tissue. In the other half of the patients, the basic cellular entity of the DRG was well preserved. Objective deep learning-based analysis of large-scale bioimages of the “intact” DRG showed no loss of neurons and no signs of gliosis. This study suggests that concepts for regenerative medicine for restoring DRG function need at least two translational research directions: reafferentation of existing DRG units or full replacement of the entire multicellular DRG structure. For DRG replacement, SGCs of the adult DRG are an attractive endogenous cell source, as the multicellular DRG units could possibly be rebuilt by transdifferentiating neural crest-derived sensory progenitor cells into peripheral sensory neurons and glial cells using Neurog1 and Neurog2. N2 - Plexusläsionen treten häufig nach Verkehrsunfällen auf und führen zu lebenslangen Einschränkungen mit starken neuropathischen Schmerzen. Eine operative Behandlung kann die motorischen Funktionen teilweise wiederherstellen, dennoch bleiben Verlust der Sensorik und neuropathische Schmerzen bestehen. Ansätze der regenerativen Medizin, wie z. B. Zellersatztherapien zur Wiederherstellung der Funktion der Spinalganglien, wecken hohe Erwartungen. Bislang ist jedoch vollkommen unklar, welche Zelltypen der Spinalganglien von der Nervenverletzung betroffen sind und bei Ansätzen der regenerativen Medizin gezielt eingesetzt werden sollten. Hier war die Hypothese, dass Satellitengliazellen (SGCs) eine geeignete endogene Zellquelle für Ansätze der regenerativen Medizin in den Spinalganglien sein könnten. SGCs und sensorische Neurone stammen von denselben Stammzellen der Neuralleiste ab, was SGCs für neurale Reparaturstrategien im peripheren Nervensystem attraktiv macht. Unsere Hypothese wurde auf drei Ebenen experimentell untersucht. Zuerst stellten wir die Frage, ob adulte SGCs das Potenzial haben, neuronale Vorläufermerkmale anzunehmen und in vitro in sensorische Neuronen reprogrammiert werden können. Hierbei zeigte sich, dass Spinalganglien der Maus adulte SGC-ähnliche Zellen beherbergen, die sich in vorläuferähnliche Zellen dedifferenzieren können. Überraschenderweise war die Expression der frühen entwicklungsrelevanten Transkriptions-faktoren Neurog1 und Neurog2 ausreichend, um neuronale und gliale Phänotypen zu induzieren. In Anwesenheit des Neurotrophins NGF (nerve growth factor) entwickelten die induzierten Neurone einen Nozizeptor-ähnlichen Phänotyp, der funktionelle Marker für Nozizeptoren wie die Ionenkanäle TrpA1, TrpV1 und NaV1.9 exprimierte. In einer zweiten Reihe von Experimenten haben wir in einem Rattenmodell für periphere Nervenverletzungen Veränderungen in der Zellzusammensetzung von Spinalganglien untersucht. Mithilfe eines objektiven Deep Learning basierten Ansatzes zur Bildanalyse fanden wir im gesamten DRG SGCs, die auf Nervenverletzungen mit einer hohen zellulären Plastizität reagierten. Es wurde jedoch weder ein verletzungsbedingter neuronaler Verlust noch eine Gliose beobachtet. Schließlich untersuchten wir, ob eine schwere Nervenverletzung die Zellzusammensetzung in menschlichen Spinalganglien verändert. Dazu wurde eine Kohorte von 13 Patienten mit einer Verletzung des Plexus brachialis untersucht. Überraschenderweise zeigte sich in verletzten Spinalganglien bei etwa der Hälfte aller Patienten kein Spinalgangliengewebe mehr. Die gesamte Einheit aus Neuronen, Satellitengliazellen und Axonen war verloren und vollständig durch mesodermales Bindegewebe ersetzt. Bei der anderen Hälfte der Patienten war die grundlegende zelluläre Einheit des Spinalganglions gut erhalten. Eine objektive, auf Deep Learning basierende Analyse von großflächigen Mikroskopiebildern des "intakten" Spinalganglions zeigte keinen Verlust von Neuronen und keine Anzeichen von Gliose. Diese Studie legt nahe, dass zur Wiederherstellung der Funktionen des Spinalganglions mindestens zwei translationale Forschungsrichtungen der regenerativen Medizin erforderlich sind: Reafferenzierung bestehender Spinalganglion-Einheiten oder vollständiger Ersatz der gesamten multizellulären Spinalganglion-Struktur. Für den Ersatz des Spinalganglions sind SGCs des adulten Spinalganglions eine plausible endogene Zellquelle. Die multizellulären Einheiten des Spinalganglions könnten möglicherweise durch eine Neurog1- und Neurog2- induzierte Transdifferenzierung von sensorischen Vorläuferzellen der Neuralleiste in periphere sensorische Neuronen und Gliazellen wiederaufgebaut werden. KW - Spinalganglion KW - Reprogrammming KW - Satellite glial cell KW - Nociceptor KW - Dorsal root ganglion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303110 ER - TY - THES A1 - Yang, Manli T1 - \(Chlamydia\) \(trachomatis\) metabolism during infection and metatranscriptome analysis in \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\) coinfected STD patients T1 - \(Chlamydia\) \(trachomatis\) Metabolismus während der Infektion sowie die Analyse des Metatranskriptoms bei \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\) koinfizierten STD-Patienten N2 - Chlamydia trachomatis (Ct) is an obligate intracellular human pathogen. It causes blinding trachoma and sexually transmitted disease such as chlamydia, pelvic inflammatory disease and lymphogranuloma venereum. Ct has a unique biphasic development cycle and replicates in an intracellular vacuole called inclusion. Normally it has two forms: the infectious form, elementary body (EB); and the non-infectious form, reticulate body (RB). Ct is not easily amenable to genetic manipulation. Hence, to understand the infection process, it is crucial to study how the metabolic activity of Ct exactly evolves in the host cell and what roles of EB and RB play differentially in Ct metabolism during infection. In addition, Ct was found regularly coinfected with other pathogens in patients who got sexually transmitted diseases (STDs). A lack of powerful methods to culture Ct outside of the host cell makes the detailed molecular mechanisms of coinfection difficult to study. In this work, a genome-scale metabolic model with 321 metabolites and 277 reactions was first reconstructed by me to study Ct metabolic adaptation in the host cell during infection. This model was calculated to yield 84 extreme pathways, and metabolic flux strength was then modelled regarding 20hpi, 40hpi and later based on a published proteomics dataset. Activities of key enzymes involved in target pathways were further validated by RT-qPCR in both HeLa229 and HUVEC cell lines. This study suggests that Ct's major active pathways involve glycolysis, gluconeogenesis, glycerolphospholipid biosynthesis and pentose phosphate pathway, while Ct's incomplete tricarboxylic acid cycle and fatty acid biosynthesis are less active. EB is more activated in almost all these carbohydrate pathways than RB. Result suggests the survival of Ct generally requires a lot of acetyl-CoA from the host. Besides, both EB and RB can utilize folate biosynthesis to generate NAD(P)H but may use different pathways depending on the demands of ATP. When more ATP is available from both host cell and Ct itself, RB is more activated by utilizing energy providing chemicals generated by enzymes associated in the nucleic acid metabolism. The forming of folate also suggests large glutamate consumption, which is supposed to be converted from glutamine by the glutamine-fructose-6-phosphate transaminase (glmS) and CTP synthase (pyrG). Then, RNA sequencing (RNA-seq) data analysis was performed by me in a coinfection study. Metatranscriptome from patient RNA-seq data provides a realistic overview. Thirteen patient samples were collected and sequenced by our collaborators. Six male samples were obtained by urethral swab, and seven female samples were collected by cervicovaginal lavage. All the samples were Neisseria gonorrhoeae (GC) positive, and half of them had coinfection with Ct. HISAT2 and Stringtie were used for transcriptomic mapping and assembly respectively, and differential expression analysis by DESeq2, Ballgown and Cuffdiff2 are parallelly processed for comparison. Although the measured transcripts were not sufficient to assemble Ct's transcriptome, the differential expression of genes in both the host and GC were analyzed by comparing Ct positive group (Ct+) against Ct-uninfected group. The results show that in the Ct+ group, the host MHC class II immune response was highly induced. Ct infection is associated with the regulation of DNA methylation, DNA double-strand damage and ubiquitination. The analysis also shows Ct infection enhances host fatty acid beta oxidation, thereby inducing mROS, and the host responds to reduce ceramide production and glycolysis. The coinfection upregulates GC's own ion transporters and amino acid uptake, while it downregulates GC's restriction and modification systems. Meanwhile, GC has the nitrosative and oxidative stress response and also increases the ability for ferric uptake especially in the Ct+ group compared to Ct-uninfected group. In conclusion, methods in bioinformatics were used here in analyzing the metabolism of Ct itself, and the responses of the host and GC respectively in a coinfection study with and without Ct. These methods provide metabolic and metatranscriptomic details to study Ct metabolism during infection and Ct associated coinfection in the human microbiota. N2 - Chlamydia trachomatis (Ct) ist ein obligater intrazellulärer Pathogen des Menschen. Er verursacht Trachoma und sexuell übertragbare Krankheiten, wie Chlamydiose, Unterleibsentzündung und Lymphogranuloma venereum. Ct besitzt einen biphasischen Entwicklungszyklus und vermehrt sich in intrazellulären Vakuolen, sogenannten Einschlusskörperchen. Normalerweise können zwei Formen beobachtete werden: Die infektiöse Form, Elementarkörperchen (EK); und die nicht-infektiöse Form, Retikularkörperchen (RK). Ct ist nicht einfach genetisch zu manipulieren. Um den Infektionsablauf besser zu verstehen, ist es wichtig, zu untersuchen, wie sich genau die metabolische Aktivität von Ct in der Wirtszelle entwickelt und welche Rolle EK und RK im Metabolismus von Ct während der Infektion spielen. Zusätzlich wurde Ct häufig bei Patienten mit sexuell übertragbaren Krankheiten (STD) in Co-Infektion mit anderen Erregern gefunden. Ein Mangel an leistungsfähigen Methoden zur Kultivierung von Ct außerhalb der Wirtszelle macht es schwierig die genauen molekularen Mechanismen von Co-Infektionen zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde erstmals ein genomweites metabolisches Model mit 321 Metaboliten und 277 Reaktionen aufgebaut, um die metabolische Adaption von Ct in der Wirtzelle während der Infektion zu untersuchen. Dieses Model wurde erstellt und umfasst 84 „extreme pathways“ (Grenz-Stoffwechselwege). Darauf aufbauend wurde die metabolische Fluss-Stärke berechnet. Die Zeitpunkte 20 hpi (20 Stunden nach der Infektion), 40 hpi und die anschließende Infektionsphase wurden durch Nutzung von Proteom-Daten modelliert. Die Aktivitäten von Schlüsselenzymen, welche in wichtigen Stoffwechselwegen involviert sind, wurden zusätzlich durch RT-qPCR überprüft. Dabei wurden die Ergebnisse sowohl für HeLA229- als auch HUVEC-Zellen nachgemessen. Diese Untersuchungen zeigten, dass Ct’s wichtigste aktive Stoffwechselwege die Glykolyse, die Gluconeogenese und der Pentosephosphatweg sind, während der unvollständige Zitronensäurezyklus und die Fettsäuresynthese weniger aktiv sind. Gegenüber RK sind bei EK fast alle diese Kohlenhydratwege stärker aktiviert. Im Allgemeinen benötigt Ct eine größere Menge an Acetyl-CoA. Außerdem können sowohl EK, als auch RK die Folsäurebiosynthese nutzen, um NAD(P)H zu generieren. Dabei werden möglicherweise unterschiedliche Pathways genutzt, abhängig vom Bedarf an ATP. Sobald mehr ATP sowohl durch die Wirtszellen als auch von der Ct-Zelle selbst zur Verfügung steht, wird die Nutzung von Energieträgern, produziert durch Enzyme des Nukleinsäurestoffwechsels, in RK stärker aktiviert. Die Bildung von Folsäure lässt den Schluss zu, dass große Mengen von Glutamat umgesetzt werden, welches vermutlich aus der Umwandlung von Glutamin durch die Glutamine-fructose-6-phosphate-transaminase (glmS) und CTP-Syntase (pyrG) stammt. Anschließend wurde eine Analyse von RNA-Sequenzierungsdaten (RNA-seq) aus einer Co-Infektions-Studie (Chlamydien und andere Keime, insbesondere Gonokokken (GC)) durchgeführt. Dafür wurden Proben von dreizehn Patienten gesammelt und von Kollaborationspartnern sequenziert. Sechs Proben männlicher Patienten wurden durch Abstrich der Harnröhre und sieben Proben weiblicher Patientinnen durch cervicovaginale Lavage gewonnen. Alle Proben waren Neisseria gonorrhoeae (GC) positiv, wobei die Hälfte eine Co-Infektion mit Ct aufwies. Die Programme HISAT2 and Stringtie wurden zum Abbilden der transgenomischen Reads beziehungsweise zur Assemblierung des Genoms verwendet, und eine Analyse der differentiellen Expression wurde jeweils mit DESeq2, Ballgown und Cuffdiff2 durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Obwohl nicht ausreichend viele Transkripte von Ct gewonnen werden konnten, um das Transkriptom komplett assemblieren zu können, wurde die differentielle Expression der Gene sowohl von Wirt als auch von GC durch den Vergleich zwischen der Gruppe der Ct-positiven (Ct+) der Gruppe der Ct-unifizierten Patienten analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass in der (Ct+)-Gruppe die auf der MHC-Klasse-II basierte Immunantwort stark induziert war. Die Infektion von Ct ist mit der Regulation der DNA-Methylierung, DNA-Doppel-Strang-Schädigung und Ubiquitinierung verbunden. Die Analyse zeigte zusätzlich, dass die Infektion mit Ct die Fettsäure β-Oxidation des Wirts steigert, dadurch mROS induziert, und sowohl die Ceramid-Produktion als auch die Glycolyse reduziert. Die Co-Infektion reguliert GC’s eigene Eisentransporter und Aminosäureaufnahme hoch, während Restriktions- und Modifikationssysteme herunterreguliert werden. Gleichzeitig zeigt GC sowohl eine stickstoffsensitve Stress Antwort als auch eine oxidative. Dies verstärkt zusätzlich die Fähigkeit für die Aufnahme von Eisen, insbesondere in der (Ct+)-Gruppe. Zusammenfassend wurden Methoden der Bioinformatik genutzt, um den Metabolismus von Ct selbst, und die Antwort des Wirtes respektive GC‘s in einer Co-Infektionsstudie mit und ohne Ct zu analysieren. Diese Methoden lieferten wichtige metabolische und metatranskriptomische Details, um den Metabolismus von Ct während der Infektion, aber auch das Mikrobiom während einer Ct assoziierter Co-Infektion zu untersuchen. KW - chlamydia trachomatis KW - Neisseria gonorrhoeae KW - metabolic modelling KW - metatranscriptome KW - STD patients Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-184993 ER -