Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4216
Main Title: Reconstruction of the mouse otocyst and early neuroblast lineage at single cell resolution
Translated Title: Rekonstruktion der Maus Otozyste und der frühen Neuroblasten Zelllinie auf Einzelzelllevel
Author(s): Durruthy-Durruthy, Robert
Advisor(s): Heller, Stefan
Referee(s): Neubauer, Peter
Lauster, Roland
Rappsilber, Juri
Heller, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Hochdurchsatz Genexpressionsanalyse von Einzelzellen hat sich in den letzten Jahren schnell zu einer einflussreichen Technologie entwickelt und maßgeblich zu einem besseren Verständnis von zellulären Heterogenität beigetragen. Die Fähigkeit, Transkriptionslevel von individuellen Zellen zu messen, ermöglicht es Zellidentitäten und regulatorische Genkaskaden in Stammzell-, Krebs- und Entwicklungsbiologie mit bisher nicht gekannter Ausführlichkeit zu beschreiben. Hinzu kommt, dass der heutige technologische Fortschritt die Generierung von umfangreichen Genexpressionsdatensätzen im großen Stil gestattet. Das Feld der Einzelzellanalyse befindet sich erst in den Anfängen und die Mehrheit aller heute verwendeten Protokolle zielt auf die Identifizierung von transkriptionell sich unterscheidenden (Sub)-Populationen. Um das volle Potential der multidimensionalen Datenfülle auszuschöpfen und biologisch relevante Informationen zu erschließen, bedarf es neuerer Methoden, die über konventionelle Gruppierungs-Methoden hinausgehen und die Daten angemessen darstellen. In der vorliegenden Studie stellen wir eine neue Herangehensweise vor, um Einzelzelldaten zu analysieren. Diese macht sich die Eigenschaft der Dimensionsreduzierung einer gebräuchlichen, mathematischen Methode zunutze und identifiziert die zeitlichen und räumlichen Unterschiede, die sich in den zellulären Genexpressionsprofilen von sich entwickelnden Organen manifestieren. Als Modellsysteme verwendeten wir die Otozyste, die Organanlage des Innenohres, sowie die delaminierenden Neuroblastenzellen und charakterisierten deren Zellidentitäten auf der Basis von 96 vorselektierten Genen. Uns ist es gelungen ein zeitlich definiertes Entwicklungsverlaufsmodell zu erstellen, welches potentielle regulatorische Mechanismen identifiziert, die während der otischen Neurogenese eine Rolle spielen. Des Weiteren rekonstruierten wir mit Hilfe bioinformatischer Mittel eine dreidimensionale Darstellung der Otozyste, die räumlich definierte Zusammenhänge wiederherstellte, welche nach der Dissoziation des Gewebes verloren gegangen sind. Diese Methode ist auf andere Gewebe mit verhältnismäßig einfach zu beschreibender Morphologie anwendbar und kann in einer Reihe von Anwendungsgebieten von Nutzen sein.
High-throughput gene expression analysis of single cells has rapidly emerged as a powerful technology and contributed to a better understanding of cellular heterogeneity in a variety of fields. The ability to measure transcriptional levels on an individual cell level has made it possible to describe cellular identities and infer gene signaling circuits with unprecedented detail in stem cell, cancer, and developmental biology. Nowadays, technological advances facilitate the generation of large gene expression datasets in high-throughput. The analysis of single cell data is still at its infancy with the majority of employed protocols targeting the identification of transcriptionally distinct (sub)-populations. To more effectively exploit the full potential of the multidimensional information and help inferring biologically relevant knowledge, newer methods need to be developed that go beyond routine clustering approaches and pertinently visualize the data. Here, we introduce a novel approach to analyze single cell data that employs dimension-reduction features of a conventional mathematical approach and recognizes the temporal and spatial variations that are invariably inherited in cellular gene expression profiles of developing organs. We used the otocyst - the anlage of the inner ear - and the delaminating neuroblasts as model systems and proled their cellular identities on the basis of 96 pre-selected genes. We were able to establish a temporally defined developmental progression model that revealed potential regulatory mechanisms involved during otic neurogenesis. Furthermore by means of bioinformatics we reconstructed a three-dimensional representation of the otocyst, which approximated the spatial configuration of the organ and recovered spatially encoded parameters that were lost after tissue dissociation. This technique is adaptable to other tissues with relatively simple to describe morphologies and can be a highly useful for a number of conceivable applications.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-57639
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4513
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4216
Exam Date: 5-Sep-2014
Issue Date: 13-Oct-2015
Date Available: 13-Oct-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Dimensionsreduzierung
Einzelzellanalyse
Innenohrentwicklung
Prinzipale Komponenten Analyse
Zelluläre Heterogenität
Cellular heterogeneity
Dimension reduction
Inner ear development
Principal component analysis
Single-cell analysis
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Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Biotechnologie » Publications

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