Systemweite Analyse des T-bet Interaktionsnetzwerks

Die Differenzierung von Immunzellen ist essentiell für die Aufrechterhaltung der Homöostase und Gewebeintegrität, trägt aber auch kritisch zur Abwehrreaktion gegen Pathogene bei. Zelldifferenzierung hängt daher von einer präzisen und eng regulierten Reihe von Ereignissen ab, die spezifische genetische Programme als Reaktion auf Umwelteinflüsse auslösen. Besonders CD4+ T-Helfer (Th) Zellen haben ein beispielloses Potenzial zur Spezialisierung entwickelt um die Vielzahl von Pathogenen bekämpfen zu können. Allerdings ist eine genaue Regulierung der T-Zell-Antworten erforderlich um einerseits Infektionen wirksam einzuschränken und andererseits die Entwicklung von Autoimmun- und Immunpathologischen Krankheiten zu vermeiden. Der Übergang von einer naiven zu einer spezialisierten T Zelle wird von bestimmten Transkriptionsfaktoren reguliert, die signaturassoziierte Genprogramme für eine bestimmte Zelldifferenzierung aktivieren. Der Transkriptionsfaktor T-bet induziert das Th1-Genprofil und wird oft als Master-Regulator der Th1-Zelldifferenzierung bezeichnet. Darüber hinaus ist T-bet essentiell für die Unterdrückung von genetischen Programmen, die mit alternativer Zelldifferenzierung assoziiert sind. Die Mechanismen dafür sind jedoch größtenteils unbekannt. Im Zuge dieses Projekts möchte ich die Th1-Zelldifferenzierung studieren und einen quantitativen und genomweiten Einblick in die von T-bet regulierte Genaktivierung und Genrepression erhalten. Ich vermute, dass die entgegengesetzten Funktionen von T-bet durch DNA-Kontextabhängige Protein Interaktionen vermittelt werden. Ich werde ein T-bet-zentriertes Interaktionsnetzwerk erstellen und das Zusammenspiel zusätzlicher Proteine, die bei der Regulierung der Th1- Zelldifferenzierung mitwirken, charakterisieren. Dazu ist eine Kombination aus systemweiter Proteomik und funktionellem Ansatz erforderlich, welche die T-bet Interaktionspartner systematisch und unvoreingenommen bestimmen wird. Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts wird unser Wissen über T-Zellbiologie erweitern, indem grundlegende Fragen wie etwa T-bet stabile Zelldifferenzierung etabliert und wie die Manipulation des T- bet Interaktionsnetzwerk genutzt werden kann um selektiv die Identität von Zellen zu verändern, beantwortet werden. Ein detailliertes Verständnis der Th1-Zelldifferenzierung könnte die gezielte Manipulierung von T-bet-assoziierten Proteinen zur Veränderung des T-Zell Schicksals bei der Prävention oder Behandlung von menschlichen Erkrankungen nahe legen. Insgesamt wird das hier beschriebene Projekt die Leistungsfähigkeit einer systemweiten Analyse von Transkriptionsnetzwerken verdeutlichen und die hier entwickelten Methoden und Konzepte werden leicht auf andere wissenschaftliche Bereiche angewendet werden können.

SYSTEMWEITE ANALYSE DES T-BET INTERAKTIONSNETZWERKS Thomas Krausgruber Die Differenzierung von Immunzellen ist essentiell für die Aufrechterhaltung der Homöostase und Gewebeintegrität, trägt aber auch kritisch zur Abwehrreaktion gegen Pathogene bei. Zelldifferenzierung hängt daher von einer präzisen und eng regulierten Reihe von Ereignissen ab, die spezifische genetische Programme als Reaktion auf Umwelteinflüsse auslösen. Besonders CD4+ T-Helfer (Th) Zellen haben ein beispielloses Potenzial zur Spezialisierung entwickelt um die Vielzahl von Pathogenen bekämpfen zu können. Allerdings ist eine genaue Regulierung der T-Zell-Antworten erforderlich um einerseits Infektionen wirksam einzuschränken und andererseits die Entwicklung von Autoimmun- und Immunpathologischen Krankheiten zu vermeiden. Der Übergang von einer naiven zu einer spezialisierten T-Zelle wird von bestimmten Transkriptionsfaktoren reguliert, die signaturassoziierte Genprogramme für eine bestimmte Zelldifferenzierung aktivieren. Der Transkriptionsfaktor T-bet induziert das Th1-Genprofil und wird oft als Master-Regulator der Th1-Zelldifferenzierung bezeichnet. Darüber hinaus ist T-bet essentiell für die Unterdrückung von genetischen Programmen, die mit alternativer Zelldifferenzierung assoziiert sind. Die Mechanismen dafür sind jedoch größtenteils unbekannt. Im Zuge dieses Projekts habe ich einen systemweiten Proteomik und funktionellen Ansatz etabliert, der zum einen bei einer Benchmarking-Studien einer neuen Technologie, die im Labor entwickelt wurde, zum Einsatz kam. Zellatlasprojekte und Einzelzellen-CRISPR-Experimente stoßen oft an die Grenzen der aktuellen Technologie in Bezug auf die kosteneffektive Charakterisierung von Millionen von Einzelzellen. Um diesen enormen Durchsatzanforderungen gerecht zu werden, haben wir das "Single Cell Combinatorial Fluidic Indexing" (scifi) entwickelt. Konkret konnten wir zeigen, dass die scifi-RNA-seq Technologie auf menschliches Primärmaterial, insbesondere auf menschliche T-Zellen und deren Differenzierungstypen, anwendbar ist. Wir erwarten, dass das scifi-RNA-seq-Protokoll eine einfach zu verwendende, kostengünstige und allgemein nützliche Methode für Anwendungen im Bereich der Einzelzellbiologie bietet. Zum anderen habe ich meine etablierten Methoden eingesetzt um Strukturzellen des Körpers und ihre Immunfunktion zu studieren. Der menschliche Körper besteht aus hoch spezialisierten Komponenten. Knochen und Weichteilgewebe geben die Form, Organe kümmern sich um den Blutkreislauf, die Verdauung und andere Funktionen, und Immunzellen bekämpfen Krankheitserreger. Tatsächlich haben viele Zelltypen und Organe aber mehr als nur eine Rolle. Ein eindrucksvolles Beispiel für das "Multitasking" von Zellen konnten wir für Strukturzellen (d.h. in Epithelzellen, Endothelzellen und Fibroblasten), den wichtigsten strukturellen Bausteinen unseres Körpers beschreiben. Überraschenderweise konnten wir vielfältige Aktivität von Immun-Genen nachweisen, die insbesondere die Kommunikation mit klassichen Immunzellen ermöglicht. Weiters entdeckten wir, dass viele Immun-Gene besondere epigenetische Eigenschaften, die normalerweise mit einer hohen Genexpression verbunden sind, während die beobachtete Expression in Strukturzellen eher gering war. Wir konnten zeigen, dass diese Immun-Gene epigenetisch für eine schnelle Aktivierung vorprogrammiert sind, wenn sie beispielsweise als Reaktion auf einen Krankheitserreger benötigt werden. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Strukturzellen nicht nur zentrale Bausteine unseres Körpers sind, sondern auch einen wesentlichen Beitrag zur Abwehr von Krankheitserregern leisten.