TY - THES A1 - Ye, Liqing T1 - RNA-RNA interactions in viral genome packaging T1 - RNA-RNA-Interaktionen bei der viralen Genomverpackung N2 - RNA is one of the most abundant macromolecules and plays essential roles in numerous biological processes. This doctoral thesis consists of two projects focusing on RNA structure and RNA-RNA interactions in viral genome packaging. In the first project I developed a method called Functional Analysis of RNA Structure (FARS-seq) to investigate structural features regulating genome dimerization within the HIV-1 5’UTR. Genome dimerization is a conserved feature of retroviral replication and is thought to be a prerequisite for binding to the viral structural protein Pr55Gag during genome packaging. It also plays a role in genome integrity and evolution through recombination, and is linked to a structural switch that may regulate genome packaging and translation within cells. Despite its importance for HIV-1 replication, the RNA signals regulating genome dimerization, and the molecular mechanism leading to the selection of the genome dimer over the monomer for packaging are incompletely understood. The FARS-seq method combines RNA structural information obtained by chemical probing with single nucleotide resolution profiles of RNA function obtained by mutational interference. In this way, we found nucleotides that were critical for dimerization, especially within the well-characterized dimerization motif within stem-loop 1 (SL1). We also found stretches of nucleotides that enhanced genome dimerization upon mutation, suggesting their role in negatively regulating dimerization. A structural analysis identified distinct structural signatures within monomeric and dimeric RNA. The dimeric conformation displayed the canonical transactivation response (TAR), PolyA, primer binding site (PBS), and SL1-SL3 stem-loops, and contained a long range U5-AUG interaction. Unexpectedly, in monomeric RNA, SL1 was reconfigured into long- and short-range base-pairings with PolyA and PBS, respectively. Intriguingly, these base pairings concealed the palindromic sequence needed for dimerization and disrupted the internal loop in SL1 previously shown to contain the major packaging motif for Pr55Gag. We therefore rationally introduced mutations into PolyA and PBS, and showed how these regions regulate genome dimerization, and the binding of Pr55Gag in vitro, as well as genome packaging into virions. These findings give insights into late stages of the HIV-1 life cycle and a mechanistic explanation for the link between RNA dimerization and packaging. In the second project, I developed a proximity ligation and high-throughput sequencing-based method, RNA-RNA seq, which can measure direct (RNA-RNA) and indirect (protein-mediated) interactions. In contrast to existing methods, RNA-RNA seq is not limited by specific protein or RNA baits, nor to a particular crosslinking reagent. The genome of influenza A virus contains eight segments, which assemble into a “7+1” supramolecular complex. However, the molecular details of genome assembly are poorly understood. Our goal is to use RNA-RNA seq to identify the sites of interaction between the eight genomic RNAs of influenza, and to use this information to define the quaternary RNA architecture of the genome. We showed that RNA-RNA seq worked on model substrates, like the HIV-1 Dimerization Initiation Site (DIS) RNA and purified ribosome, as well as influenza A virus infected cells. N2 - RNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle und spielt bei allen biologischen Prozessen eine wesentliche Rolle. Diese Doktorarbeit besteht aus zwei Projekten, die sich auf die RNA-Struktur und RNA-RNA-Interaktionen bei der viralen Genomverpackung konzentrieren. Im ersten Projekt habe ich eine Methode namens Functional Analysis of RNA Structure (FARS-seq) entwickelt, um strukturelle Merkmale zu untersuchen, die die Genom-Dimerisierung innerhalb des HIV-1 5'UTR regulieren. Die Genomdimerisierung ist ein konserviertes Merkmal der retroviralen Replikation und gilt als Voraussetzung für die Bindung an das virale Strukturprotein Pr55Gag während der Genomverpackung. Sie spielt auch eine Rolle bei der Genomintegrität und -evolution durch Rekombination und ist mit einem strukturellen Schalter verbunden, der die Genomverpackung und -translation in Zellen regulieren kann. Trotz der Bedeutung für die HIV-1-Replikation sind die RNA-Signale welche die Genom-Dimerisierung regulieren, und der molekulare Mechanismus der zur Auswahl des Genom-Dimers gegenüber dem Monomer für die Verpackung führt, nur unvollständig verstanden. FARS-seq kombiniert RNA-Strukturinformationen, die durch chemisches Sondieren gewonnen werden, mit Profilen der RNA-Funktion in Einzelnukleotid-Auflösung, die durch Mutationsinterferenz gewonnen werden. Auf diese Weise fanden wir Nukleotide, die für die Dimerisierung kritisch sind, insbesondere innerhalb des gut charakterisierten Dimerisierungsmotivs von stem-loop 1 (SL1). Wir fanden auch Nukleotidabschnitte, die bei Mutation die Dimerisierung des Genoms verstärkten, was auf ihre Rolle bei der negativen Regulierung der Dimerisierung hindeutet. Eine Strukturanalyse ergab zudem unterschiedliche strukturelle Signaturen innerhalb der RNA von Monomeren und Dimeren. Die dimere Konformation wies die kanonische Transaktivierungsantwort (TAR), PolyA, die Primerbindestelle (PBS) und SL1-SL3-stem loops auf und enthielt eine weitreichende U5-AUG-Interaktion. Unerwarteterweise interagierte SL1 in monomerer RNA mit dem weit entfernten PolyA Signal und der nahegelegenen PBS. Interessanterweise verbargen diese Basenpaarungen die für die Dimerisierung erforderliche palindromische Sequenz und unterbrachen die interne Schleife in SL1, von der zuvor gezeigt wurde, dass sie das Hauptverpackungsmotiv für Pr55Gag enthält. Wir haben daher auf rationale Weise Mutationen in PolyA und PBS eingeführt und gezeigt, wie diese Regionen die Dimerisierung des Genoms und die Bindung von Pr55Gag in vitro sowie die Verpackung des Genoms in Virionen regulieren. Diese Ergebnisse geben Einblicke in späte Stadien des HIV-1-Lebenszyklus und eine mechanistische Erklärung für die Verbindung zwischen RNA-Dimerisierung und Verpackung. Im zweiten Projekt entwickelte ich eine auf Proximity Ligation und Hochdurchsatz-Sequenzierung basierende Methode, RNA-RNA seq, mit der direkte (RNA-RNA) und indirekte (proteinvermittelte) Wechselwirkungen gemessen werden können. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden ist RNA-RNA seq nicht durch spezifische Protein- oder RNA Crosslink-Reagenzien eingeschränkt. Das Genom des Influenza-A-Virus besteht aus acht Segmenten, die zu einem supramolekularen "7+1"-Komplex assemblieren. Die molekularen Details des Genomaufbaus sind jedoch kaum bekannt. Unser Ziel ist es, mit Hilfe von RNA-RNA seq die Interaktionsstellen zwischen den acht genomischen RNAs des Influenza-Virus zu identifizieren und somit die quaternäre RNA-Architektur des Genoms zu definieren. Wir haben gezeigt, dass RNA-RNA seq an Modellsubstraten wie der HIV Dimerization Initiation Site (DIS) RNA und gereinigtem Ribosom sowie an mit dem Influenza-A-Virus infizierten Zellen funktioniert. KW - RNS-Viren KW - RNA-RNA interactions KW - Virus infection KW - viral genome packaging Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296361 ER - TY - THES A1 - Vafadarnejad, Ehsan T1 - Implementation and application of bioinformatics methods to analyze and visualize single-cell RNA-sequencing data T1 - Implementierung und Anwendung von bioinformatischen Methoden zur Analyse und Visualisierung von Einzelzell-Sequenzierungsdaten N2 - 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. N2 - 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 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. KW - Einzelzellanalyse Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269258 ER - TY - THES A1 - Pekárek, Lukáš T1 - Single-Molecule Approaches To Study Frameshifting Mechanisms T1 - Einzelmolekülansätze zur Untersuchung von Frameshifting-Mechanismen N2 - The RNAs of many viruses contain a frameshift stimulatory element (FSE) that grants access to an alternate reading frame via −1 programmed ribosomal frameshifting (PRF). This −1PRF is essential for effective viral replication. The −1PRF efficiency relies on the presence of conserved RNA elements within the FSE, such as a slippery sequence, spacer, and a downstream secondary structure – often a hairpin or a pseudoknot. The PRF efficiency is also affected by trans-acting factors such as proteins, miRNAs and metabolites. The interactions of these factors with the RNA and the translation machinery have not yet been completely understood. Traditional ensemble methods used previously to study these events focus on the whole population of molecular species. This results in innate averaging of the molecular behavior and a loss of heterogeneity information. Here, we first established the experimental workflow to study the RNA structures and the effect of potential trans-acting factors using single-molecule force spectroscopy technique, optical tweezers. Additionally, to streamline the data analysis, we developed an algorithm for automatized data processing. Next, we harnessed this knowledge to study viral RNA elements responsible for stimulation of PRF and how the presence of trans-acting factors affects the RNA behavior. We further complemented these single-molecule structural data with ensemble functional assays to gain a complex view on the dynamics behind the programmed ribosomal frameshifting. Specifically, two different viral RNA elements have been studied in the presented work. First, the dynamics of SARS-CoV-2 FSE and the role of extended sequences have been explored. Then, the mode of action of the host-encoded trans-acting factor ZAP-S inhibition of SARS-CoV-2 PRF has been examined. Finally, the mechanism of the trans-acting viral factor induced PRF in Encephalomyocarditis virus (EMCV) has been uncovered. N2 - Die RNAs vieler Viren enthalten ein Lese-Rasterverschiebung-stimulierendes Element (FSE), das über die −1 programmierte ribosomale Rasterverschiebung (PRF) Zugriff auf einen alternativen Leserahmen gewährt. Dieser −1PRF ist für eine effektive Virusreplikation unerlässlich. Die −1PRF-Effizienz beruht auf dem Vorhandensein konservierter RNA-Elemente innerhalb des FSE, wie z.B. einer Slippery-Sequenz, einem Platzhalter und einer nachgelagerten Sekundärstruktur – oft eine Haarnadel oder ein Pseudoknoten. Die −1PRF-Effizienz wird auch durch trans-aktive Faktoren wie Proteine, miRNAs und Metaboliten beeinflusst. Die Wechselwirkungen dieser Faktoren mit der RNA und der Translationsmaschinerie sind noch nicht vollständig verstanden. Traditionelle Ensemble-Methoden, die früher zur Untersuchung dieser Ereignisse verwendet wurden, konzentrieren sich auf die gesamte Population molekularer Spezies. Dies führt zu einer inhärenten Durchschnittsbildung des molekularen Verhaltens und einem Verlust von Heterogenitätsinformationen. Hier haben wir zunächst den experimentellen Arbeitsablauf zur Untersuchung der RNA-Strukturen und der Wirkung potenzieller trans-aktiver Faktoren mithilfe der Einzelmolekül-Kraftspektroskopietechnik Optischer Pinzetten etabliert. Um die Datenanalyse zu optimieren, haben wir außerdem einen Algorithmus zur automatisierten Datenverarbeitung entwickelt. Als nächstes nutzten wir dieses Wissen, um virale RNA-Elemente zu untersuchen, die für die Stimulierung von −1PRF verantwortlich sind, und wie sich das Vorhandensein trans-aktiver Faktoren auf das Verhalten der RNA auswirkt. Wir haben diese Einzelmolekülstrukturdaten weiter durch Ensemble-Funktionsassays ergänzt, um einen komplexen Überblick über die Dynamik hinter der programmierten ribosomalen Rasterverschiebung zu erhalten. Konkret wurden in der vorgestellten Arbeit zwei verschiedene virale RNA-Elemente untersucht. Zunächst wurden die Dynamik des SARS-CoV-2-FSE und die Rolle erweiterter Sequenzen untersucht. Anschließend wurde die hemmende Wirkungsweise des vom Wirt kodierten trans-wirkenden Faktors ZAP-S auf SARS-CoV-2-PRF untersucht. Schließlich wurde der Mechanismus der, durch den trans-aktiven Virusfaktor induzierten PRF beim Enzephalomyokarditis-Virus (EMCV), entschlüsselt KW - translation KW - infection KW - frameshifting Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346112 ER - TY - THES A1 - Mika-Gospodorz, Bozena T1 - Development and application of bioinformatics tools for analysis of dual RNA-seq experiments T1 - Entwicklung und Anwendung von Bioinformatikwerkzeugen für die Analyse von dualen RNA-seq Experimenten N2 - Dual RNA-seq captures both host and pathogen transcriptomes at the site of infection, facilitating an exploration of processes that play an essential role in pathogenesis and the host defense. This work presents an application of this technique to explore processes occurring during the infection of the human endothelial cells with two clinical isolates of Orientia tsutsugamushi (Ot) — the causative agent of scrub typhus. Combining comparative genomics, transcriptomics, and proteomics, we investigated the transcriptional architecture of Ot and identified non-coding RNAs, operon structures, and widespread antisense transcription, that may have a role in regulation of repetitive genes that are abundant in the Ot genome. In addition, the comparative analysis of bacterial and eukaryotic transcriptomes allowed us to investigate factors that drive the difference in virulence between Karp and UT176 and the host response to these two Ot strains. The host and pathogen transcriptional profiles in each dual RNA-seq study are obtained in‑silico by adopting tools developed for RNA-seq data analysis. The Dualrnaseq pipeline presented in the second part of this work is the first publicly available, highly reproducible, scalable, and user‑friendly workflow developed for processing dual RNA‑seq data of any eukaryotic and bacterial organisms with a reference genome and annotation. It provides three mapping and quantification strategies: (i) alignment-based mapping of reads onto the chimeric genome with STAR followed by counting of uniquely mapped reads with HTSeq; (ii) a fast transcriptome quantification method handling multi‑mapped reads (Salmon with Selective Alignment); (iii) and Salmon alignment-based mode which uses a STAR‑derived alignment combined with Salmon quantification. Performing an initial benchmark analysis of the employed methods we provided recommendations ensuring accurate estimation of host and pathogen transcript expression. N2 - Duale RNA-seq erfasst sowohl das Transkriptom des Wirts als auch das des Erregers am Ort der Infektion und ermöglicht so die Erforschung von Prozessen, die eine wesentliche Rolle bei der Pathogenese und der Abwehr des Wirts spielen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung dieser Technik zur Untersuchung von Prozessen vorgestellt, die während der Infektion menschlicher Endothelzellen mit zwei klinischen Isolaten von Orientia tsutsugamushi (Ot) - dem Erreger von Scrub-Typhus - ablaufen. Durch die Kombination von vergleichender Genomik, Transkriptomik und Proteomik untersuchten wir die Transkriptionsarchitektur von Ot und identifizierten nicht-kodierende RNAs, Operon-Strukturen und weit verbreitete Antisense-Transkription, die möglicherweise eine Rolle bei der Regulierung repetitiver Gene spielen, die im Ot-Genom reichlich vorhanden sind. Darüber hinaus ermöglichte uns die vergleichende Analyse der bakteriellen und eukaryotischen Transkriptome die Untersuchung der Faktoren, die für die unterschiedliche Virulenz von Karp und UT176 und die Reaktion des Wirts auf diese beiden Ot-Stämme verantwortlich sind. Die Wirts- und Erreger-Transkriptionsprofile in jeder dualen RNA-seq-Studie werden in-silico mit Hilfe von Tools erstellt, die für die RNA-seq-Datenanalyse entwickelt wurden. Die im zweiten Teil dieser Arbeit vorgestellte Dualrnaseq-Pipeline ist der erste öffentlich verfügbare, hochgradig reproduzierbare, skalierbare und benutzerfreundliche Arbeitsablauf, der für die Verarbeitung dualer RNA-seq-Daten beliebiger eukaryotischer und bakterieller Organismen mit einem Referenzgenom und einer Annotation entwickelt wurde. Er bietet drei Mapping- und Quantifizierungsstrategien: (i) Alignment-basiertes Mapping von Reads auf das chimäre Genom mit STAR, gefolgt von der Zählung eindeutig gemappter Reads mit HTSeq; (ii) eine schnelle Transkriptom-Quantifizierungsmethode, die mit mehrfach gemappten Reads arbeitet (Salmon mit selektivem Alignment); (iii) und einen Salmon-Alignment-basierten Modus. In einer ersten Benchmark-Analyse der verwendeten Methoden haben wir Empfehlungen ausgesprochen, die eine genaue Schätzung der Expression von Wirts- und Pathogentranskripten gewährleisten. KW - Transkriptomanalyse KW - Dual RNA-seq data analysis KW - Orientia tsutsugamushi Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281264 ER - TY - THES A1 - Imdahl, Fabian Dominik T1 - Development of novel experimental approaches to decipher host-pathogen interaction at the single-cell level T1 - Entwicklung neuer experimenteller Ansätze zur Entschlüsselung von Wirt-Pathogen-Interaktion auf Einzelzellebene N2 - Abstract: COVID-19 has impressively shown how quickly an emerging pathogen can have a massive impact on our entire lives and show how infectious diseases spread regardless of national borders and economic stability. We find ourselves in a post-antibiotic era and have rested too long on the laurels of past research, so today more and more people are dying from infections with multi-resistant germs. Infections are highly plastic and heterogeneous processes that are strongly dependent on the individual, whether on the host or pathogen side. Improving our understanding of the pathogenicity of microorganisms and finding potential targets for a completely new class of drugs is a declared goal of current basic research. To tackle this challenge, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) is our most accurate tool. In this thesis we implemented different state of the art scRNA-seq technologies to better understand infectious diseases. Furthermore, we developed a new method which is capable to resolve the transcriptome of a single bacterium. Applying a poly(A)-independent scRNA-seq protocol to three different, infection relevant growth conditions we can report the faithful detection of growth-dependent gene expression patterns in individual Salmonella Typhimurium and Pseudomonas aeruginosa bacteria. The data analysis shows that this method not only allows the differentiation of various culture conditions but can also capture transcripts across different RNA species. Furthermore, using state of the art imaging and single-cell RNA sequencing technologies, we comprehensively characterized a human intestinal tissue model which in further course of the project was used as a Salmonella enterica serovar Typhimurium infection model. While most infection studies are conducted in mice, lacking a human intestinal physiology, the in vitro human tissue model allows us to directly infer in vivo pathogenesis. Combining immunofluorescent imaging, deep single-cell RNA sequencing and HCR-FISH, applied in time course experiments, allows an unseen resolution for studying heterogeneity and the dynamics of Salmonella infection which reveals details of pathogenicity contrary to the general scientific opinion. N2 - Zusammenfassung: COVID-19 hat eindrucksvoll gezeigt, wie schnell ein neu auftretender Erreger massive Auswirkungen auf unser aller Leben haben kann und wie sich Infektionskrankheiten unabhängig von Landesgrenzen und wirtschaftlicher Stabilität ausbreiten. Wir befinden uns in einer post-antibiotischen Ära und haben uns zu lange auf den Lorbeeren der vergangenen Forschung ausgeruht, so dass heute immer mehr Menschen an Infektionen mit multiresistenten Keimen sterben. Infektionen sind sehr plastische und variable Prozesse, die stark vom Individuum abhängen, sei es auf Seiten des Wirts oder des Erregers. Die Pathogenität von Mikroorganismen besser zu verstehen und potenzielle Angriffspunkte für eine völlig neue Klasse von Arzneimitteln zu finden ist ein erklärtes Ziel der aktuellen Grundlagenforschung. Um diese Herausforderung zu meistern, ist die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) unser präzisestes Werkzeug. In dieser Arbeit haben wir verschiedene hochmoderne scRNA-seq-Technologien eingesetzt, um Infektionskrankheiten besser zu verstehen. Darüber hinaus haben wir eine neue Methode entwickelt, die in der Lage ist, das Transkriptom eines einzelnen Bakteriums aufzulösen. Durch die Anwendung eines poly(A)-unabhängigen scRNA-seq-Protokolls unter drei verschiedenen, infektionsrelevanten W achstumsbedingungen konnten wir die wachstumsabhängigen Genexpressionsmuster in einzelnen Salmonella Typhimurium- und Pseudomonas aeruginosa- Bakterien zuverlässig nachweisen. Die Datenanalyse zeigt, dass diese Methode nicht nur die Differenzierung verschiedener Kulturbedingungen ermöglicht, sondern auch Transkripte über verschiedene RNA-Spezies hinweg erfassen kann. Darüber hinaus haben wir unter Verwendung modernster Bildgebungs- und Einzelzell-RNA- Sequenzierungstechnologien ein menschliches Darmgewebemodell umfassend charakterisiert, das im weiteren Verlauf des Projekts als Salmonella Typhimurium-Infektionsmodell verwendet wurde. Während die meisten Infektionsstudien in Mäusen durchgeführt werden, denen die menschliche Darmphysiologie fehlt, ermöglicht uns das in vitro Modell des menschlichen Gewebes direkte Rückschlüsse auf die Pathogenese in vivo. Die Kombination aus immunfluoreszierender Bildgebung, deep single-cell RNA Sequenzierung und HCR-FISH, angewandt in Zeitverlaufsexperimenten, ermöglicht eine bisher ungesehene Auflösung zur Untersuchung von Heterogenität und Dynamik einer Salmonella Infektion, welche Details der Pathogenität entgegen der allgemeinen wissenschaftlichen Meinung offenbaren. KW - Salmonella KW - Einzelzellanalyse KW - Dünndarm KW - Gewebemodell KW - Single-cell RNA-sequencing KW - Infektionsmodell KW - Heterogenität von Mikroorganismen KW - Pathogenität Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289435 ER -