Über die letzten Jahre haben sich Einzelzelldaten als Trend in der Bioinformatik etabliert, was zu umfangreichen Datensätzen führte. Die Entwicklung von Analysemethoden für solche Daten hat jedoch nicht mit deren Produktion Schritt gehalten. Diese Arbeit befasst sich mit einigen Problemen, die beim Analysieren von Einzelzelldaten auftreten. Das zweite Kapitel enthält eine Analyse von scRNA-seq-Daten von Darmkrebspatienten und Organoiden. Es werden Entwicklungstrajektorien des Darms beschrieben. Anschließend werden Signalgradienten dieser Achsen charakterisiert, insbesondere MAPK- und WNT-Signale. Weiter wird gezeigt, wie RNA velocity basierend auf metabolischen labeling ähnliche Trajektorien in Organoiden aufzeigen kann. Schließlich werden Auswirkungen von Signalwegenhemmung auf die Entwicklungstrajektorien im Detail beschrieben. Das dritte Kapitel bietet einen noch nie dagewesenen Einblick in frühe Stadien von COVID-19 in der Lunge. Verwendete scRNA-seq Daten stammen aus Lungengewebeproben etablierter Hamstermodelle, die mehrere Spezies, SARS-CoV-2-Dosen und Zeitpunkte umfassen, und die ich mit entsprechenden Daten von menschlichen Patienten vergleiche. Für die Analyse zentraler Zelltypen, die den unterschiedlichen Krankheitsverläufen zugrunde liegen, wende ich post-hoc Interpretation auf sonst unzugängliche latent spaces von diffusionmaps an, die neue Einblicke in die zelluläre Pathogenese von COVID-19 bieten. Im letzten Kapitel stelle ich scperturb vor, die größte Sammlung von perturbierten Einzelzelldaten. Ich zeige, wie E-Statistik verwendet werden kann, um solche Daten auf statistisch fundierte Weise zu analysieren. Verzerrungen werden mittels eines neuen Term zur Korrektur der E-Distanz beseitigt. Anschließlich untersuche ich Robustheit der E-Statistiken für einige Analyseszenarien, wie die COVID-19 Daten aus vorherigen Kapitel. Schließlich leite ich Richtlinien für die experimentelle Planung von Einzelzell-Perturbationsstudien mit robuster Statistik ab. / In recent years, single-cell data has emerged as leading trend in bioinformatics, resulting in the generation of substantial datasets. However, development of analysis methods for single-cell data has not kept pace with its production, presenting challenges for analysts. This thesis addresses some of the most pressing issues encountered during the analysis of single-cell data. After a short introductory chapter, the second chapter deals with the problem of arranging single-cell transcriptomes based on biological trajectories, and how these correlate with signaling pathways, specifically those relevant as targets for potential treatments. This thesis demonstrates how RNA velocity based on metabolic labeling can recover similar trajectories in organoids, identifying WNT and MAPK as underlying signaling pathways for development in normal and colon cancer organoids. The third chapter provides an unprecedented view into early stages of COVID-19 in the lungs. For the analysis of key cell types underlying divergent COVID-19 outcomes I apply post-hoc interpretation methods to otherwise inaccessible latent spaces of diffusion maps, revealing new insights into the cellular pathogenesis of COVID-19. Used scRNA-seq data is derived from lung tissue samples of established hamster models, encompassing multiple species, varying SARS-CoV-2 doses, and time points, which I then compare to data from human patients. In the fourth chapter, I present scperturb, the largest collection of single-cell perturbation data. I show how E-statistics can be used to analyze such data in a statistically sound way. After introducing a new bias-correction term to the calculation of E-distances, I investigate the robustness of resulting E-statistics for various analysis scenarios, such as the COVID-19 data from the previous chapter. Finally, I derive guidelines for the experimental design of single-cell perturbation studies such that robust statistics can be achieved.

Primär kutane Lymphome sind typische Krankheitsbilder in der Dermatologie. Obwohl diese Erkrankungen zu den seltenen Krankheiten zählen, sind sie jedoch von therapeutischem und wissenschaftlichen Interesse. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Klassifikation und Therapie primär kutaner Lymphome. Die 1997 veröffentlichte EORTC-Klassifikation wird mit ihren wichtigsten Entitäten erläutert. Die EORTC-Klassifikation geht auf spezifische Besonderheiten der primär kutanen Lymphome ein und orientiert sich an der guten Prognose dieser Erkrankungen. Therapeutische Strategien wie der Einsatz von für kutane Lymphome typische Behandlungsmethoden (PUVA, Exzision, Radiatio) als auch gentechnisch hergestellte Medikamente wie therapeutische Antikörper und Vakzinen werden erklärt. Der zweiten Teil der Habilitationsschrift konzentriert sich auf experimentelle Arbeiten zur molekularbiologischen Untersuchung von primär kutanen Lymphomen. Im Mittelpunkt steht die Methode der Mikromanipulation und Einzelzell-PCR. Für die Mykosis fungoides konnte gezeigt werden, daß im initialen Ekzemstadium nur wenige klonale maligne T-Zellen in der Probe nachzuweisen sind. Mit Zunahme des Infiltrates (Plaque) sind die malignen Zellen in der Epidermis oder gruppiert in der Dermis lokalisiert. Im Tumorstadium dominieren die malignen Zellen das dermale Infiltrat (Gellrich S, J Invest Dermatol, 2000). Die Tumorzellen primär kutaner B-Zell-Lymphome weisen einen dem Keimzentrum ähnlichen Mutationsstatus, nämlich somatische Mutationen und intraklonale Diversifikation, auf (Gellrich S, J Invest Dermatol, 1997; Gellrich S, J Invest Dermatol, 2001). Die Daten sprechen für einen noch aktiven Mutationsmechanismus, sogenannte ongoing mutations (Golembowski S, Immunobiology, 2000). Eine Unterform der kutanen Lymphome stellen die primär kutanen CD30+ T-Zell Lymphome dar. In Untersuchungen mittels Mikromanipulation und Einzelzell-PCR wurden CD30+ Zellen aus primär kutanen CD30+ großzelligen Lymphomen hinsichtlich ihrer T-Zell-Klonalität untersucht. Dabei stellte sich heraus, daß nicht alle atypischen Zellen zur Tumorpopulation gehören. Es wird vermutet, daß ein unbekannter Stimulus zur Ausprägung der Zellmorphe und zur Expression des CD30-Moleküls führt (Gellrich S, J Invest Dermatol, 2003). Eine weitere Entität, bei welcher CD30+ Zellen eine Rolle spielen, ist die lymphomatoide Papulose. In den hier dargestellten Untersuchungen wurden CD30+ große atypische Zellen einzeln isoliert und anschließend mittels PCR für die Gene des T-Zell-Rezeptor-Gamma und des Immunglobulinrezeptors amplifiziert bei einem Patienten mit lymphomatoider Papulose und assoziierter Morbus Hodgkin-Erkankung. In zwei von drei Fällen waren diese CD30+ Zellen polyklonal. Die aus der Fragmentanalyse bekannte klonale T-Zell-Population konnte dagegen in CD3+CD30- kleinen Zellen gefunden werden. In einem dritten Fall enthielten die CD30+ Zellen klonale B-Zellen, welche die gleichen Immunglobulingene rearrangiert hatten wie Zellen aus einem zuvor bestehenden Hodgkin-Lymphom desselben Patienten. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass es für das Aufschießen und die Regredienz der Läsionen der lymphomatoiden Papulose einen Stimulus gibt und die klonalen T- und B-Zellen als Begleitinfiltrat ohne pathologische Bedeutung anzusehen sind. Insgesamt bilden die Daten dieser Arbeit eine Grundlage für eine Fortsetzung der Untersuchung zur Ätiopathogenese von primär kutanen Lymphomen und deren Therapie und bieten die Möglichkeiten vielfältiger wissenschaftlicher Kooperationen. / Primary cutaneous lymphomas present with typical clinical features in dermatology. Although these diseases are rare, they particularly are of scientific and therapeutic interest. The first part of this work deals with the classification and treatment of primary cutaneous lymphomas (PCBCL). The 1997 published EORTC classification will be explained according to the good prognosis of PCBCL. Therapeutic strategies as well as typical procedures (PUVA, excision, irradiation) and gene-technically produced drugs (therapeutic antibodies, vaccination) are illustrated in detail. The second part of this publication focuses on the experimental molecular biological work-out, done in primary cutaneous lymphomas by means of micromanipulation and single cell PCR. For the mycosis fungoides could be shown that in the patch stage only a few malignant T cells can be detected. Increasing infiltrates (plaque-stage) are characterized by epidermotrop or dermally grouped atypical cells. In tumor stage dermal atypical T cells are predominating (Gellrich S, J Invest Dermatol, 2003). The tumor cells of primary cutaneous B cell lymphomas are comparable with the stage of mutation of follicle centre cells: somatic mutations and intraclonal diversity (Gellrich S, J Invest Dermatol, 1997; Gellrich S, J Invest Dermatol, 2001). The data indicate, that there may be an active mutation mechanism, the so-called ongoing mutations (Golembowski S, Immunobiology, 2000). One subgroup of PCBCL, are presented by the CD30positve entities. By means of micromanipulation and PCR, single cells were investigated due to T cell clonality. Not all atypical cells belong to the malignant population. It is supposed that an unknown stimulus leads to morphological features and CD30 expression (Gellrich S, J Invest Dermatol, 2003). Another CD30positive entity is reflected by the lymphomatoid papulosis. In these experiments large atypical CD30positve cells were isolated and have been investigated via PCR for T cell receptor g or immunoglobuline heavy and light chain gene rearrangement. The majority of the large CD30postive cells (two cases) belong to a polyclonal T cell population. In the opposite, the small CD3positive cells are the cells persisting within the T cell clone. In another case B cells with the same immunoglobulin gene rearrangement like in a preceding Hodgkin disease of the same patient could be detected. The data seem to underline the fact that reactive polyclonal CD30positive cells are triggered by an unkown stimulus with clonal bystander cells without any pathological significance. In summary, this work could be the basis for further investigations about the etiopathogenesis of PCBCL.

Das Herz eines Zebrafishs ist bemerkenswert, da es sich nach einer Verletzung vollständig regenerieren kann. Der Regenerationsprozess wird von Fibrose begleitet - der Bildung von überschüssigem Gewebe der extrazellulären Matrix (ECM). Anders als bei Säugetieren ist die Fibrose im Zebrafish nur transient. Viele Signalwege wurden identifiziert, die an der Herzregeneration beteiligt sind. Allerdings sind die Zelltypen, insbesondere Nicht-Kardiomyozyten, die für die Regulation des Regenerationsprozesses verantwortlich sind, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit haben wir systematisch alle Zelltypen des gesunden und des verletzten Zebrafischherzens mithilfe einer auf Mikrofluidik basierenden Hoch-Durchsatz- Einzelzell-RNA-Sequenzierung bestimmt. Wir fanden eine große Heterogenität von ECM-produzierenden Zellen, einschließlich einer Reihe neuer Fibroblasten, die nach einer Verletzung mit unterschiedlicher Dynamik auftreten. Wir konnten aktivierte Fibroblasten beschreiben und Fibroblasten-Subtypen mit einer pro-regenerativen Funktion identifizieren. Darüber hinaus haben wir eine Methode entwickelt, um die Transkriptomanalyse und die Rekonstruktion von Zell-Verwandtschaften auf Einzelzellebene zu kombinieren. Unter Verwendung der CRISPR-Cas9-Technologie führten wir zufällige Mutationen in bekannte und ubiquitär transkribierte DNA-Loci während der Embryonalentwicklung von Zebrafischen ein. Diese Mutationen dienten als zellspezifische, permanente und vererbbare “Barcodes”, die zu einem späteren Zeitpunkt erfasst werden konnten. Mit maßgeschneiderten Analysealgorithmen konnten wir dann Stammbäume der sequenzierten Einzelzellen erstellen. Mit dieser neuen Methode haben wir gezeigt, dass im sich regenerierenden Zebrafischherz ECM-produzierende Zellpopulationen entweder mit dem Epi- oder mit dem Endokardium verwandt sind. Zusätzlich entdeckten wir, dass vom Endokardium abgeleitete Zelltypen vom Wnt-Signalweg abhängig sind. / The zebrafish heart has the remarkable capacity to fully regenerate after injury. The regeneration process is accompanied by fibrosis - the formation of excess extracellular matrix (ECM) tissue, at the injury site. Unlike in mammals, the fibrosis of the zebrafish heart is only transient. While many pathways involved in heart regeneration have been identified, the cell types, especially non-myocytes, responsible for the regulation of the regenerative process have largely remained elusive. Here, we systematically determined all different cell types of both the healthy and cryo-injured zebrafish heart in its regeneration process using microfluidics based high-throughput single-cell RNA sequencing. We found a considerable heterogeneity of ECM producing cells, including a number of novel fibroblast cell types which appear with different dynamics after injury. We could describe activated fibroblasts that extensively switch on gene modules for ECM production and identify fibroblast sub- types with a pro-regenerative function. Furthermore, we developed a method that is capable of combining transcriptome analysis with lineage tracing on the single-cell level. Using CRISPR-Cas9 technology, we introduced random mutations into known and ubiquitously transcribed DNA loci during the zebrafish embryonic development. These mutations served as cell-unique, permanent, and heritable barcodes that could be captured at a later stage simultaneously with the transcriptome by high-throughput single-cell RNA sequencing. With custom tailored analysis algorithms, we were then able to build a developmental lineage tree of the sequenced single cells. Using this new method, we revealed that in the regenerating zebrafish heart, ECM contributing cell populations derive either from the epi- or the endocardium. Additionally, we discovered in a functional experiment that endocardial derived cell types are Wnt signaling dependent.

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation (LA-ICP-MS) wird zunehmend für die Einzelzellanalyse eingesetzt, jedoch wird eine weitere verbreitete Verbreitung durch den geringen Durchsatz behindert. Daher wurde in dieser Arbeit der Durchsatz von Einzelzellen-LA-ICP-MS untersucht und verbessert. Zunächst werden die beiden möglichen Ablationsmodi, Bildgebung und Einzelpunktanalyse (SSA), hinsichtlich ihrer analytischen Gütezahlen (Signal-Rausch-Verhältnis, Präzision, Genauigkeit, Durchsatz) verglichen. Hierfür wurden adhärente 3T3-Fibroblastenzellen mit zwei Metallfarbstoffen angefärbt und mit beiden Methoden mehrere Dutzend Zellen vermessen. SSA zeigte überlegene Eigenschaften hinsichtlich Durchsatz und Nachweisgrenzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass >400 Zellen analysiert werden müssen, um zufriedenstellende Statistiken für einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse zu erhalten, was als zu mühsam befunden wurde. Daher wurde ein Einzelzellen-Arraying-Schritt integriert, um eine automatisierte LA-ICP-MS-Analyse zu ermöglichen. Hierfür wurden zwei Arrayingverfahren getestet: Zunächst wurde das mikrofluidische Arraying von Zellen getestet, jedoch verhinderte das Einklemmen von weichen PDMS-Chips eine erfolgreiche Anwendung, und eine Neugestaltung des Chips wäre erforderlich. Daraufhin wurde eine neuartige Technologie getestet, die auf dem Arraying von Tröpfchen in Verbindung mit der Bilderkennung von Zellen beruht, wobei ein Anordnungsdurchsatz von 550 Zellen pro Stunde und eine beispiellose Einzelzellengenauigkeit (> 99%) gefunden wurde. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde ein Zellarray von THP-1-Suspensionszellen mittels LA-ICP-TOF-MS analysiert und erstmals gleichzeitig endogene und exogene Isotope einzelner Zellen als Isotopen-Fingerabdrücke von Zellen mit Nachweisgrenzen von lediglich wenigen hundert attogramm. Schließlich wurden diese Ergebnisse mit der derzeit gebräuchlichsten Analysemethode Single-Cell (sc)-ICP-MS verglichen. / Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is increasingly used for single-cell analysis. However, a more widespread use of LA-ICP-MS in single cell analysis is hampered by its low throughput. Hence, in this work the throughput of single cell LA-ICP-MS was studied and improved. First, the two possible ablation modes, imaging and single spot analysis (SSA) of single cells using a large laser spot, are compared regarding their analytical figures of merit (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as regarding ease of operation and data evaluation. For that, adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes and several dozen cells were measured using both modes. SSA showed superior characteristics regarding throughput and detection limits. Moreover, it was shown that >400 cells must be analyzed to reach satisfactory statistics for a quantitative comparison of results, which would have been too laborious. Thus, a single cell arraying step was integrated to enable automated LA-ICP-MS analysis. Two different arraying methods were evaluated: First, arraying via hydrodynamic front trapping of cells using a microfluidic device was tested, but clamping of soft PDMS-chips prevented successful arraying and it was concluded that a major redesign of the chip is necessary. Secondly, and a novel technology relying on a microdroplet arrayer in conjunction with image recognition of cells was tested and a moderate arraying throughput (550 cells per hour) and an unprecedented single-cell accuracy (>99%) was found. In a proof of principle experiment, a cell array of THP-1 suspension cells was analyzed using LA-ICP-TOF-MS and endogenic and exogenic isotopes of individual cells were detected for the first time simultaneously as isotopic fingerprints of cells with detection limits as low as hundred attogram. Finally, these results were compared to the currently more commonly used analysis method single-cell (sc)-ICP-MS.

T-Helfer-9-(Th9-)Zellen produzieren große Mengen Interleukin-(IL-)9 und lösen bei Wurm- und Tumorerkrankungen protektive Immunantworten aus. Sie sind aber auch maßgeblich an der Pathogenese chronisch entzündlicher Darmerkrankungen beteiligt. Im Widerspruch zu diesen entzündungsauslösenden Eigenschaften steht ihre Rolle bei der Erzeugung von Toleranz gegenüber allogenen Transplantaten. Diese gegensätzlichen inflammatorischen Eigenschaften deuten eine bisher nicht untersuchte funktionelle Heterogenität an. In vitro-differenzierte allo-reaktive Th9-Zellen zeigten sich in ihrer Gesamtheit pro-inflammatorisch. Dies äußerte sich nach Transfer in recombination activating gene-defiziente (Rag-/-) Mäuse durch einen akut einsetzenden Gewichtsverlust mit intestinaler Entzündung und durch die Abstoßung allogener Hauttransplantate. Mittels Einzelzell-Genexpressionsanalyse wurden zwei Th9-Subpopulationen identifiziert, die sich vor allem in ihrer CD96-Expression unterschieden (CD96low versus CD96high Th9-Zellen). Die differenzielle Expression von CD96 spiegelte sich auch im inflammatorischen Potenzial der Zellen wider. Während der Transfer von CD96low Th9-Zellen in Rag-/- Mäuse einen Gewichtsverlust mit Darmentzündung sowie die Transplantatzerstörung verursachte, zeigten CD96high-rekonstituierte Tiere kaum Entzündungsanzeichen im Transplantat bzw. im Darm. Dementsprechend verloren sie auch kein Gewicht. Es zeigte sich, dass CD96low Th9-Zellen ein höheres Potenzial zur Produktion von IL-4 und IL-9 sowie zur Expansion besaßen als CD96high Th9-Zellen. Eine Blockade von CD96 in vivo stellte die inflammatorischen Eigenschaften von CD96high Th9-Zellen wieder her, wodurch die funktionelle Relevanz der CD96-Expression unterstrichen wurde. Diese Daten belegen, dass es sich bei Th9-Zellen um eine funktionell heterogene Zellpopulation handelt. Weiterhin zeigen sie, dass CD96 – ein Molekül mit bislang unklarer Funktion in CD4+ T-Zellen – die Aktivität von Th9-Zellen negativ beeinflusst. / T helper 9 (Th9) cells are potent producers of interleukin(IL-)9 driving host immunity against worm infections and tumors. Furthermore, they are predominantly involved in the pathogenesis of chronic inflammatory bowel diseases. However, they also induce tolerance in allogeneic transplantation, which contrasts with their pro-inflammatory properties. These observations indicate a functional heterogeneity of Th9 cells not examined so far. Total in vitro differentiated allo-reactive Th9 cells injected into recombination activating gene-deficient (Rag-/-) mice caused weight loss, intestinal inflammation and rejection of allogenic skin grafts which proofed their inflammatory character. However, using single cell profiling, two subsets of Th9 cells mainly differing in their CD96 expression were identified (CD96low versus CD96high Th9 cells). Transfer of CD96low Th9 cells into Rag-/- mice induced severe weight loss, intestinal inflammation and graft destruction. In contrast, transfer of CD96high Th9 cells did cause neither weight loss nor resulted in graft rejection. Transcriptional profiling revealed a higher IL-9 and IL-4 expression potential as well as an increased expansion capacity in CD96low Th9 cells compared to CD96high Th9 cells. Blockade of CD96 in vivo restored the inflammatory properties of CD96high Th9 cells demonstrating, that expression of CD96 controls effector functions in Th9 cells. Thus, Th9 cells are heterogeneous in function. Moreover, this study suggests an inhibitory role for the co-signaling receptor CD96 – a molecule with so far unknown function in CD4+ T cells – in Th9 cells.

Der TGFβ-Signalweg ist ein multifunktionales System, das zelluläre Prozesse reguliert, die von Proliferation und Migration bis zu Differenzierung und Zelltod reichen. Nach Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung translozieren SMAD-Proteine zum Zellkern und induzieren die Expression zahlreicher Zielgene. Während viele Komponenten des TGFβ-Signalweges identifiziert wurden, verstehen wir noch nicht genau, wie die Aktivierung des Signalwegs in verschiedene zelluläre Antworten übersetzt wird. Da die zelluläre Antwort auf einen gegebenen Stimulus oft sogar in genetisch identischen Zellen variiert, konzentrierte ich mich auf die Messung der Signalwegaktivität auf der Einzelzellebene. Durch die Kombination fluoreszierender Reporterzelllinien mit Zeitraffer-Lebendzellmikroskopie und automatisierter Bildanalyse beobachtete ich die zytoplasmatische und nukleäre Translokation von SMADs mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Hunderten einzelner Zellen. Unsere Experimente zeigten, dass die Signalwegaktivität in eine erste synchrone Phase der SMAD-Translokation, gefolgt von einer Adaption und einer zweiten Signalphase mit hoher Variabilität in Stärke und Dauer der nuklearen Akkumulation unterteilt werden kann. Darüber hinaus beobachtete ich, dass Zellen, die aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften in Subpopulationen gruppiert sind, unterschiedliche phänotypische Reaktionen zeigen. Ich war nun daran interessiert, die Netzwerkinteraktionen zu identifizieren, die diese Dynamiken formen und fokussierte mich auf den Crosstalk mit nicht-kanonischen Komponenten des TGFβ-Signalweges. Ich konnte zeigen, dass die Hemmung der MAP Kinasen p38 und ERK die zweite Signalphase spezifisch aufhebt. Diese dynamische Remodellierung führt zu Veränderungen in der Zielgenexpression und den Zellschicksalen. Dies wird zu einem tieferen Verständnis der molekularen Netzwerke führen, die die TGFβ-Signaltransduktion regulieren und Möglichkeiten eröffnen, es in erkrankten Zellen zu modulieren. / The TGFβ pathway is a multi-functional signaling system regulating cellular processes ranging from proliferation and migration to differentiation and cell death. Upon ligand binding and receptor activation, SMAD proteins translocate to the nucleus and induce expression of numerous target genes. While many components of the TGFβ pathway have been identified, we are still challenged to understand how pathway activation is translated into distinct cellular responses. As the cellular response to a given stimulus often varies even in genetically identical cells, I focused on measuring pathway activity on the single cell level. By combining fluorescent reporter cell lines with time-lapse live-cell microscopy and automated image analysis, I monitored the cytoplasmic to nuclear translocation of SMADs with high temporal and spatial resolution in hundreds of individual cells. Our experiments demonstrated that pathway activity can be divided into a first synchronous phase of SMAD translocation, followed by adaptation and a second signaling phase with high variability in the extent and duration of nuclear accumulation. Furthermore, I observed that cells clustered into subpopulations according to their dynamic features show different phenotypic responses. I was interested in identifying the network interactions that shape these dynamics and focus on crosstalk with non-canonical components of the TGFβ pathway. I could show that inhibition of the MAP kinases p38 and ERK specifically abrogates the second signaling phase. This dynamic remodeling led to changes in target gene expression and cell fate decisions. I explored the molecular mechanisms underlying this interaction of the canonical and non-canonical pathways. This will provide a deeper understanding of the molecular networks regulating TGFβ signaling and open opportunities to modulate it in diseased cells.

Die embryonale Gonade ist bei Säugetieren das einzige bipotente Organ, das sich während der Geschlechtsbestimmung in Hoden oder Eierstock differenziert. Nach der Spezifikation produziert sie geschlechtsspezifische Hormone, die wichtige morphologische, physiologische und Verhaltensänderungen auslösen und schließlich zu reifen Fortpflanzungsorganen führen, die für die Fortpflanzung der Art unerlässlich sind. Trotz der evolutionären Bedeutung der Gonadenfunktion gibt es erhebliche Entwicklungsunterschiede zwischen den Arten, deren molekulare Mechanismen weitgehend unerforscht sind. Zur Untersuchung dieser Mechanismen wurden Einzelzell-Omics-Techniken (scRNA- und scATAC-seq) an sich entwickelnden Gonaden eingesetzt, um molekulare Faktoren für interspezifische Unterschiede während der Geschlechtsdifferenzierung zu analysieren. Bekannte Zelltypen wurden in Hoden und Eierstöcken von Schweinen (mit medullären Strängen), Mäusen (ohne medulläre Stränge), Kaninchen (mit verzögerter Meiose der Keimzellen) und Maulwürfen (mit Ovotestes) zu geschlechtsdimorphen Zeitpunkten charakterisiert. Interartspezifische Vergleiche zeigten sowohl konservierte als auch artspezifische Ereignisse auf den Ebenen der dynamischen Genexpression, Co-Expressionsnetzwerke und zellulären Kommunikation. Expressionsdaten wurden mit epigenomischen Daten integriert, um genregulatorische Netzwerke (GRNs) abzuleiten und die regulatorischen Mechanismen zu klären. Analysen zeigten die Einbeziehung artenspezifischer Transkriptionsfaktoren in konservierte GRNs und identifizierten mutmaßliche cis-regulatorische Elemente, die mit artspezifisch exprimierten Genen verknüpft sind. Die Studie legt nahe, dass unterschiedliche Kontrollmechanismen die Meiose in ovariellen Keimzellen über Arten hinweg initiieren und dass der Metabolismus steroidogener Enzyme zu einzigartigen Entwicklungsmerkmalen bei Kaninchen beitragen könnte. / In mammals, the embryonic gonad is the only bipotential organ, differentiating into either testis or ovary during sex determination. Once specified, it produces sex-specific hormones that induce key morphological, physiological, and behavioral changes, leading to mature reproductive organs essential for species perpetuation. Despite the evolutionary importance of gonadal function, significant developmental plasticity exists across species, with underlying molecular mechanisms largely unexplored. To address this, single-cell omics techniques (scRNA- and scATAC-seq) were employed on developing gonads to investigate molecular contributors to interspecies differences during sex differentiation. Known cell types were characterized in testes and ovaries of pigs (exhibiting medullary cords), mice (lacking medullary cords), rabbits (displaying delayed meiosis of germ cells), and moles (forming ovotestes) at sexually dimorphic time points. Interspecies comparative analyses revealed both conserved and species-specific events at the levels of dynamic gene expression, co-expression networks, and cellular communication. Expression data were integrated with epigenomic data to infer gene regulatory networks (GRNs), clarifying regulatory mechanisms governing these events. Analyses revealed species-specific transcription factors in conserved GRNs and identified putative cis-regulatory elements linked with species-specific expressed genes. The study suggests diverse controls initiate meiosis in ovarian germ cells across species and that steroidogenic enzyme metabolism may contribute to unique developmental features in rabbits. Overall, this study advances the understanding of mammalian gonad differentiation and highlights how gene expression program evolution has contributed to mammalian phenotype diversity.

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.

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.

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