Die EGFR-Signalübertragung steuert viele verschiedene zelluläre Prozesse in allen Arten von Epithelzellen, einschließlich des Darmepithels. Diese Prozesse reichen von Proliferation und Wachstum über Differenzierung bis hin zu Autophagie und Apoptose. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die Signalveränderungen zu charakterisieren, die im Darmepithel als Reaktion auf EGF-induzierten Hungerstress stattfinden. Kontraintuitiv führte eine 24-stündige EGF-Starre zu einer deutlichen Phosphorylierung von EGFR, MEK1/2 und ERK1/2, was auf eine Aktivierung dieser Signalachse in Darmzellen hindeutet. Diese Veränderungen waren am signifikantesten in den undifferenzierten CD44-reichen Krypta-Basiszellen. Interessanterweise war die EGF-Starvation-induzierte ERK1/2-Phosphorylierung mit der Hochregulierung einer Untergruppe von ERK-Zielgenen verbunden, bei denen es sich zumeist um primäre Zielgene handelt. Die Überexpression des EGFR-Liganden HBEGF und des FGFR-Liganden FGF1 in ausgehungerten Zellen könnte für die hungerbedingte Zunahme der MAPK-Aktivität verantwortlich sein, obwohl eine erhöhte Sekretion dieser Liganden durch ausgehungerte Organoide nicht bestätigt werden konnte. Dennoch wird die kompensatorische Ligandensekretion durch die Beobachtung gestützt, dass die erneute Zugabe von EGF zu ausgehungerten Organoiden die pERK1/2-Spiegel auf den Ausgangswert zurücksetzt, was bedeutet, dass EGF mit einem anderen von ausgehungerten Zellen sezernierten Liganden um den EGFR konkurriert. Zusätzlich zu HBEGF wurde festgestellt, dass andere Gene, die für den Schutz, das Überleben und die Regeneration des Darmepithels bekannt sind, in ausgehungerten Organoiden überexprimiert werden, wie z. B. Reg3b. Insgesamt können die in dieser Studie berichteten EGF-induzierten Veränderungen der MAPK-Signalübertragung und der globalen Genexpression als ein überlebensförderndes Programm interpretiert werden, das bevorzugt in Darmstammzellen und frühen Vorläuferzellen aktiviert wird. / EGFR signaling drives many different cellular processes in all kinds of epithelial cells including the intestinal epithelium. Such processes range from proliferation and growth to differentiation to autophagy and apoptosis. The present study aims to characterize signaling changes that take place in the intestinal epithelium in response to EGF starvation-induced stress using epithelial organoids derived from the mouse duodenum and human colorectal tumor tissue. Counterintuitively, 24 h EGF starvation induced a prominent phosphorylation of EGFR, MEK1/2 and ERK1/2 indicating an activation of this signaling axis in intestinal cells. These changes were most significant in the undifferentiated CD44-high crypt base cells. Interestingly, EGF starvation-induced ERK1/2 phosphorylation was associated with upregulation of a subset of ERK target genes that were mostly primary-response targets. Overexpression of the EGFR ligand HBEGF and the FGFR ligand FGF1 in starved cells may account for starvation-driven increase in MAPK activity, although an increased secretion of these ligands by starved organoids was not confirmed. Nevertheless, compensatory ligand secretion is still supported by the observation that EGF re-addition to starved organoids restores pERK1/2 levels to baseline which implies that EGF competes for EGFR with some other ligand secreted by starved cells. In addition to HBEGF, other genes known to promote protection, survival and regeneration of the intestinal epithelium were found to be overexpressed in starved organoids such as Reg3b. Collectively, EGF starvation-induced changes in MAPK signaling and global gene expression reported in this study can be interpreted as a pro-survival program that gets activated preferentially in intestinal stem cells and early progenitors.

Einzelzell-Omics-Daten stehen derzeit im Fokus der Entwicklung computergestützter Methoden in der Molekularbiologie und Genetik. Einzelzellexperimenten lieferen dünnbesetzte, hochdimensionale Daten über zehntausende Gene oder hunderttausende regulatorische Regionen in zehntausenden Zellen. Diese Daten bieten den Forschenden die Möglichkeit, Gene und regulatorische Regionen zu identifizieren, welche die Bestimmung und Aufrechterhaltung der Zellidentität koordinieren. Die gängigste Strategie zur Identifizierung von Zellidentitätsmarkern besteht darin, die Zellen zu clustern und dann Merkmale zu finden, welche die Cluster unterscheiden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Zellen innerhalb eines Clusters die gleiche Identität haben. Diese Annahme ist jedoch nicht immer zutreffend, insbesondere nicht für Entwicklungsdaten bei denen sich die Zellen in einem Kontinuum befinden und die Definition von Clustergrenzen biologisch gesehen potenziell willkürlich ist. Daher befasst sich diese Dissertation mit Clustering-unabhängigen Strategien zur Identifizierung von Markern aus Einzelzell-Omics-Daten. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist SEMITONES, eine auf linearer Regression basierende Methode zur Identifizierung von Markern. SEMITONES identifiziert (Gruppen von) Markern aus verschiedenen Arten von Einzelzell-Omics-Daten, identifiziert neue Marker und übertrifft bestehende Marker-Identifizierungsansätze. Außerdem ermöglicht die Identifizierung von regulatorischen Markerregionen durch SEMITONES neue Hypothesen über die Regulierung der Genexpression während dem Erwerb der Zellidentität. Schließlich beschreibt die Dissertation einen Ansatz zur Identifizierung neuer Markergene für sehr ähnliche, dennoch underschiedliche neurale Vorlauferzellen im zentralen Nervensystem von Drosphila melanogaster. Ingesamt zeigt die Dissertation, wie Cluster-unabhängige Ansätze zur Aufklärung bisher uncharakterisierter biologischer Phänome aus Einzelzell-Omics-Daten beitragen. / Single-cell omics approaches are the current frontier of computational method development in molecular biology and genetics. A single single-cell experiment provides sparse, high-dimensional data on tens of thousands of genes or hundreds of thousands of regulatory regions (i.e. features) in tens of thousands of cells (i.e. samples). This data provides researchers with an unprecedented opportunity to identify those genes and regulatory regions that determine and coordinate cell identity acquisition and maintenance. The most common strategy for identifying cell identity markers consists of clustering the cells and then identifying differential features between these clusters, assuming that cells within a cluster share the same identity. This assumption is, however, not guaranteed to hold, particularly for developmental data where cells lie along a continuum and inferring cluster boundaries becomes non-trivial and potentially biologically arbitrary. In response, this thesis presents clustering-independent strategies for marker feature identification from single-cell omics data. The primary contribution of this thesis is a linear regression-based method for marker feature identification from single-cell omics data called SEMITONES. SEMITONES can identify markers or marker sets from diverse single-cell omics data types, identifies novel markers, outperforms existing marker identification approaches. The thesis also describes how the identification of marker regulatory regions by SEMITONES enables the generation of novel hypotheses regarding gene regulation during cell identity acquisition. Lastly, the thesis describes the clustering-independent identification of novel marker genes for highly similar yet distinct neural progenitor cells in the Drosophila melanogaster central nervous system. Altogether, the thesis demonstrates how clustering-independent approaches aid the elucidation of yet uncharacterised biological patterns from single cell-omics data.

Ziel dieser Doktorarbeit ist eine umfassende Untersuchung der Heterogenität von Mikroglia aus morphologischer, elektrophysiologischer und transkriptioneller Perspektive mit dem Schwerpunkt auf Unterschiede zwischen weißer und grauer Substanz. Im ersten Kapitel diskutiere ich die morphologische Heterogenität von Mikroglia mit dem Fokus auf Satelliten- und Parenchymale-Mikroglia. Wir führten eine eingehende Analyse mehrerer Hirnareale durch und quantifizierten die Anzahl der Satellitenmikroglia, die mit verschiedenen neuronalen Subtypen in Kontakt stehen. Wir fanden heraus, dass die Anzahl der Satellitenmikroglia stark mit der neuronalen Dichte eines bestimmten Bereichs korreliert. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit untersuche ich die transkriptionelle Heterogenität von Mikroglia aus weißer und grauer Substanz, wobei ich die in Gliazellen neu etablierte Patch-seq-Methode anwende. Diese Methode ermöglicht es eine Kombination aus morphologischen, lektrophysiologischen und transkriptionellen Profilen einzelner Zellen zu erhalten, die es erlauben, zelluläre Unterschiede zu charakterisieren. Wir identifizieren einen zellulären Subtyp, wenn wir den Patch-seq-Datensatz mit FACS-basierter Einzelzell-RNA-seq-Datensätzen vergleichen. Dieser Subtyp gehört eindeutig zu dissoziierten Gewebeproben und ist durch die Expression von Stress-assoziierten Genen charakterisiert. Im dritten Kapitel wende ich mich der Frage zu, wie Transkripte mittels SLAM-seq nachverfolgt werden können, die während der Dissoziation des Gewebes entstehen. Das Verfahren ermöglicht es mRNA, die während der Dissoziation der Probe entsteht, metabolisch zu markieren, rechnerisch zu identifizieren und zu entfernen. Indem wir die markierten Transkripte aus dem Mikroglia “entfernen”, beobachten wir, dass ein „aktivierter Mikroglia“-Subtyp zur allgemeinen Mikroglia-Population gehört. / The aim of this doctoral work is to provide a comprehensive study and overview on the topic of the heterogeneity of microglia in the normal adult mouse brain from the morphological, electrophysiological and transcriptional perspective with the focus on differences between white and grey matters. In the first Chapter, I discuss the morphological heterogeneity of microglia in the brain with the focus on two morphologically distinct classes: satellite and parenchymal microglia. We performed an in-depth analysis of multiple brain areas and quantified the number of satellite microglia which is in contact with different neuronal subtypes. We found that satellite microglia numbers are highly correlated with neuronal densities of a certain area, while showing no preferences for any of the neuronal types. In Chapter two of this work, I study transcriptional heterogeneity of microglia from white and grey matters. For this I am employing Patch-seq, which we newly established in glial cells. This method allows a combination of morphological, electrophysiological and transcriptional profiles of single cells to assess their differences. When comparing Patch-seq dataset to the previously published FACS isolated single cell RNA-seq microglia datasets, we find a subtype of cells which uniquely belongs to FACS sample and is characterized by expression of stress-associated genes. This finding points out to the fact of dissociation-related artifacts in the single cell RNA-seq data which are not present in situ. In the third chapter, I identified transcripts which are induced during the dissociation of the tissue by employing the SLAM-seq method. This procedure allows to metabolically label newly transcribed mRNA and computationally remove transcripts from the sample. By removing the labeled transcripts from the dataset of cells isolated from the hippocampus via enzymatic dissociation, we observe that an “activated microglia” subtype merges with the general microglia population.

Die Lokalisierung von mRNA ist ein wichtiger regulativer Mechanismus in polarisierten Zellen und in frühen Embryonalstadien. Dort sind räumliche Muster maternaler mRNA für die korrekte Entwicklung der Körperachsen und die Spezifizierung der Keimzellen verantwortlich. Systematische Analysen dieser Prozesse wurden jedoch bisher limitiert durch einen Mangel an räumlicher und zeitlicher Auflösung von Einzelzell- Sequenzierungsdaten. Wir analysierten die Dynamik des räumlichen und zeitlichen Transkriptoms während frühen Embryonalstadien von Zebrafischen. Wir verbesserten Empfindlichkeit und Auflösung von tomo-seq und erfassten damit systematisch räumlich aufgelöste Transkriptome entlang der animal-vegetalen-Achse Embryonen im Einzell-Stadium und fanden 97 vegetal lokalisierte Gene. Außerdem etablierten wir eine Hochdurchsatz kompatible Variante der RNA-Markierungsmethode scSLAM-seq. Wir wendeten diese in Embryonen während der Gastrulation. Von den vegetal lokalisierten Genen waren 22 angereichert in Keimzellen, was eine funktionelle Rolle bei der Spezifizierung von Keimzellen nahelegt. Mit tomo-seq untersuchten wir die evolutionäre Konservierung der RNA-Lokalisierung zwischen Zebrafischen und gereiften Oozyten zweier Xenopus-Arten. Wir verglichen die lokalisierten Gene, suchten nach konservierten 3'UTR-Motiven, und fanden zum Teil überlappende Motive, was auf eine mögliche mechanistische Konservierung der Lokalisierungsmechanismen hinweist. Wir untersuchten auch RNA-Editierung von Adenin zu Inosin während der Embryonalentwicklung und in den Organen erwachsener Fische. In im Gehirn exprimierten Transkripten fanden wir 117 Editierstellen, die hauptsächlich für Ionentransporter kodieren und zum Teil zum Menschen konserviert sind. Die höchsten Editierraten konnten wir in Eierstöcken, Hoden und frühen Embryonen nachweisen, was auf eine mögliche Rolle bei der Regulierung der RNA-Stabilität hindeutet. / Subcellular localization of mRNA is an important regulatory mechanism in polarized cells. In early embryos of many species, spatial patterns of maternal mRNA are essential for the proper development of body axes and the specification of germ cells. These processes have been studied in zebrafish, but systematic analyses have been hindered by a lack of spatial and temporal information in single-cell RNA sequencing. We performed a spatial-temporal analysis of the zebrafish transcriptome during early embryonic development to systematically characterize localized mRNA and the fate of maternal transcripts until gastrulation stage. We enhanced sensitivity and resolution of the tomo-seq method and systematically acquired spatially-resolved transcriptomes along the animal-vegetal axis of one-cell stage zebrafish embryos, and found 97 genes to be localized vegetally. Furthermore, we established an in vivo and high-throughput compatible version of the single-cell RNA labeling method scSLAM-seq in gastrulation stage embryos. We followed localized transcripts until gastrulation and found transcripts of 22 of the vegetally localized genes enriched in primordial germ cells. We propose that these genes have a functional role in the early priming of the germ cell fate. To investigate the evolutionary conservation of vegetal RNA localization, we acquired tomo-seq datasets of mature oocytes of two xenopus species. We compared the pools of localized RNA and searched for conserved 3’UTR motifs. The resulting sets showed high similarity, possibly reflecting a mechanistic conservation of localization pathways. We also investigated RNA A-to-I editing during embryonic development and in organs of adult fish. Specifically, we identified 117 recoding editing sites in the brain that mainly encode for ion transporters and are partly conserved in humans. We detected the highest editing levels in ovary, testes and in early embryos, implicating a potential role in regulating RNA stability.