Integrative analysis of single-cell transcriptomics

Flercellede organismer består af forskellige væv, der omfatter forskellige celletyper, hver med
specifikke funktioner. Disse er reguleret på enkelt celle-niveau, hvilket resulterer i betydelig
celle diversitet. Vedligeholdelsen af specialiserede celletyper og beslutninger om celledifferentiering
under udvikling styres af et underliggende genregulatorisk netværk. Enkelt celle
DNA-sekventering er blevet en kraftfuld teknologi til at fange et øjebliksbillede af genekspression
profiler i tusinder af individuelle celler samtidigt, hvilket giver stort potentiale til at
studere de regulerende mekanismer involveret i cellulær identitet og skæbne.
Denne PhD-afhandling fokuserer på at udforske det genregulatoriske netværk, der styrer cellulære
identiteter i færdigdannede væv, og de regulerende mekanismer, der driver differentiering
og skæbne under embryonal udvikling, på enkelt celle-niveau. For at opnå dette
blev det styrende regulatoriske netværk predikteret på tværs af en bred vifte af organer og
væv i mus fra to enkeltcelle-transkriptom-atlasser, der dækker tre forskellige teknologier.
Denne analyse afslørede regulerende forhold mellem transkriptionsfaktorer og deres målgener.
For at konstruere et robust konsensus billede af centrale celletype-regulatorer blev resultaterne
integreret på tværs af teknologier, hvilket mindskede indflydelsen af tekniske variationer.
Analysen identificerede globale moduler, der omfattede flere celletyper, bredt virkende
moduler specifikke for individuelle væv og specialiserede moduler unikke for enkelte
celletyper. Undersøgelsen fokuserede derefter på udviklingen af åndedræts epitel, hvor enkelt
celle-transkriptom af ikke-neural ectoderm organoider fra Xenopus Laevis blev profileret ved
ti udviklingsstadier under udviklingen til mucociliær epitel. Xenopus Laevis-baseret mucociliær
epitel udviser stærke ligheder med hvirveldyrs mucociliær epitel, med hensyn til
udviklingsmønstre og proteinmarkører, hvilket gør det til et godt modelsystem at studere
udviklingen af åndedræts epitel uden lunge dannelse. Gennem integreret analyse blev udviklingsforløb
fra pluripotente stamceller til alle de vigtigste cellepopulationer i voksen mucociliær
epitel rekonstrueret. Bemærkelsesværdigt blev en ny multipotent stamcelle, som vi
kaldte tidlige epitel-progenitorer, der giver anledning til ionocytter, goblet celler og basal
celler, identificeret. Disse progenitorer udviste udtryk af transkriptionelle programmer der
driver flere linjer. For at imødegå udfordringer i forbindelse med integreret analyse af enkeltcelle
transkriptom fra flere donorer, samt eksperimentelle sammenligninger mellem grupper
eller væv, blev en fælles klynge algoritme til enkeltcelle RNA-sekventeringsdata udviklet.
Denne algoritme udnytter fælles udtryksmønstre til at klynge datasæt samtidigt og samtidig
bevare fortolkeligheden. Sammenlignet med de bedste integrationsmetoder demonstrerede
den foreslåede tilgang sammenlignelig præstation samtidig med fordelene ved fortolkelighed.
Denne fortolkelighed letter verificeringen af modellens fornuftighed og hjælper analytikere
med at annotere cellepopulationer og identificere skjulte signalerings mønstre.