Since the advent of high-throughput sequencing technologies in the mid-2010s, RNA se-
quencing (RNA-seq) has been established as the method of choice for studying gene
expression. In comparison to microarray-based methods, which have mainly been used to
study gene expression before the rise of RNA-seq, RNA-seq is able to profile the entire
transcriptome of an organism without the need to predefine genes of interest. Today,
a wide variety of RNA-seq methods and protocols exist, including dual RNA sequenc-
ing (dual RNA-seq) and multi RNA sequencing (multi RNA-seq). Dual RNA-seq and
multi RNA-seq simultaneously investigate the transcriptomes of two or more species, re-
spectively. Therefore, the total RNA of all interacting species is sequenced together and
only separated in silico. Compared to conventional RNA-seq, which can only investi-
gate one species at a time, dual RNA-seq and multi RNA-seq analyses can connect the
transcriptome changes of the species being investigated and thus give a clearer picture of
the interspecies interactions. Dual RNA-seq and multi RNA-seq have been applied to a
variety of host-pathogen, mutualistic and commensal interaction systems.
We applied dual RNA-seq to a host-pathogen system of human mast cells and Staphylo-
coccus aureus (S. aureus). S. aureus, a commensal gram-positive bacterium, can become
an opportunistic pathogen and infect skin lesions of atopic dermatitis (AD) patients.
Among the first immune cells S. aureus encounters are mast cells, which have previously
been shown to be able to kill the bacteria by discharging antimicrobial products and re-
leasing extracellular traps made of protein and deoxyribonucleic acid (DNA). However,
S. aureus is known to evade the host’s immune response by internalizing within mast
cells. Our dual RNA-seq analysis of different infection settings revealed that mast cells
and S. aureus need physical contact to influence each other’s gene expression. We could
show that S. aureus cells internalizing within mast cells undergo profound transcriptome
changes to adjust their metabolism to survive in the intracellular niche. On the host side,
we found out that infected mast cells elicit a type-I interferon (IFN-I) response in an
autocrine manner and in a paracrine manner to non-infected bystander-cells. Our study
provides the first evidence that mast cells are capable to produce IFN-I upon infection
with a bacterial pathogen. / Seit dem Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenziertechnologien Mitte der 2010er Jahre
hat sich RNA-Sequenzierung (RNA-seq) als Methode der Wahl für die Untersuchung von
Genexpression etabliert. Im Vergleich zu Microarray-basierten Methoden, die vor dem
Aufkommen von RNA-seq hauptsächlich zur Untersuchung der Genexpression verwendet
wurden, kann mit RNA-seq das gesamte Transkriptom eines Organismus charakterisiert
werden, ohne dass die Gene von Interesse vorab definiert werden müssen. Heute gibt es ei-
ne Vielzahl von RNA-seq-Methoden und Protokollen, darunter Dual RNA-seq und Multi
RNA-seq. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq untersuchen gleichzeitig die Transkriptome
von zwei bzw. mehreren Arten. Dazu wird die gesamte RNA aller interagierenden Arten
gemeinsam sequenziert und nur in silico aufgetrennt. Im Vergleich zur herkömmlichen
RNA-seq, bei der jeweils nur eine Spezies untersucht wird, können Dual RNA-seq- und
Multi RNA-seq-Analysen die Transkriptomveränderungen der untersuchten Spezies mit-
einander in Verbindung bringen und so ein klareres Bild der Wechselwirkungen zwischen
den Spezies vermitteln. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq wurden bereits auf eine Viel-
zahl von Wirt-Pathogen-, mutualistischen und kommensalen Interaktionssystemen ange-
wendet.
Wir haben Dual RNA-seq auf ein Wirt-Pathogen-System aus menschlichen Mastzellen und
S. aureus angewendet. S. aureus, ein kommensales grampositives Bakterium, kann zu ei-
nem opportunistischen Erreger werden und Hautläsionen von Patienten mit atopischer
Dermatitis (AD) infizieren. Zu den ersten Immunzellen, auf die S. aureus trifft, gehören
Mastzellen, die nachweislich in der Lage sind, das Bakterium abzutöten, indem sie antimi-
krobielle Produkte abgeben und extrazelluläre Fallen aus Proteinen und DNA freisetzen.
Es ist jedoch bekannt, dass S. aureus die Immunantwort des Wirts umgehen kann, indem
es in die Mastzellen internalisiert wird. Unsere Dual RNA-seq-Analyse verschiedener In-
fektionssituationen ergab, dass Mastzellen und S. aureus physischen Kontakt benötigen,
um ihre Genexpression gegenseitig zu beeinflussen. Wir konnten zeigen, dass S. aureus
Zellen, die von Mastzellen internalisiert werden, tiefgreifende Transkriptomveränderungen
durchlaufen, um ihren Stoffwechsel für das ̈Uberleben in der intrazellulären Nische an-
zupassen. Auf Seite des Wirts fanden wir heraus, dass infizierte Mastzellen eine IFN-I
(Interferon Typ I)-Antwort auf autokrine und auf parakrine Weise auf nicht-infizierte, in
der Nähe befindliche Zellen auslösen. Unsere Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass
Mastzellen bei einer Infektion mit einem bakteriellen Erreger in der Lage sind, IFN-I zu
produzieren.
Um die bioinformatische Analyse von Dual RNA-seq und Multi RNA-seq zu erleichtern,
haben wir ein umfangreiches Update des bereits existierenden RNA-seq-Analysepro-
gramms READemption veröffentlicht. Die neue Version READemption 2 ermöglicht es
den Nutzern, Dual RNA-seq- und Multi RNA-seq-Daten einer beliebigen Anzahl von Spe-
zies auf bequeme Weise zu analysieren, während es weiterhin möglich ist, herkömmliche
RNA-seq-Projekte zu analysieren, die nur eine Spezies untersuchen. Bei der Entwicklung
wurde Wert darauf gelegt, die Qualität der Software durch die Einhaltung bewährter
Verfahren für die Entwicklung wissenschaftlicher Software hoch zu halten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:30307 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Sauerwein, Till |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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