Till innehåll på sidan

Mapping Transcriptomes in Tissues

Tid: Fr 2023-05-26 kl 10.00

Plats: Air&Fire, Tomtebodavägen 23A, 17165, Solna

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/69983443965

Språk: Engelska

Ämnesområde: Bioteknologi

Respondent: Ludvig Larsson , Genteknologi, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Genomics

Opponent: Ph.D. Naveed Ishaque, Berlin Institute of Health at Charité – Universitätsmedizin Berlin: Berlin, DE

Handledare: Joakim Lundeberg, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Genteknologi; Docent Stefania Giacomello, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Genteknologi

Exportera till kalender

QC 2023-04-25

Abstract

Under de senaste decennierna har tillkomsten av banbrytande bioteknologiska metoder gjort det möjligt för forskare att analysera de molekylära komponenterna i flercelliga organismer med anmärkningsvärd precision. Forskningsfältet transkriptomik har bevittnat en snabb utveckling av teknologier som har utökat möjligheterna att erhålla omfattande genuttrycksprofiler från biologiska prover. Dessa genuttrycksprofiler ger avgörande insikter i biologiska processer som ligger till grund för organismers utveckling, homeostas och sjukdomsframkallande dysreglering. Moderna teknologier kan användas för att utforska prover i olika grader av precision och upplösning, och när de kombineras bidrar de till en holistisk bild av de invecklade molekylära mekanismerna som formar flercelliga organismer. Vissa av dessa molekylära mekanismer förekommer i mikroskopisk skala och styrs genom kommunikation mellan närliggande celler. Andra mekanismer är beroende av samordnade processer inom stora nätverk av celler organiserade i vävnader och organ. Celler, vävnader och organ bildar en hierarki av strukturella nivåer, och varje nivå spelar en viktig roll för att organismen ska fungera korrekt. Experimentella teknologier inom fältet transkriptomik ger omfattande data som kan användas för att utforska och karaktärisera biologiska fenomen inom och mellan dessa strukturella nivåer. Det centrala temat för denna avhandling kretsar kring användningen av experimentella teknologier och beräkningsmetoder inom biologisk forskning. Här undersöks hur dessa verktyg kan användas för att förbättra vår förståelse av flercelligt liv. Särskild uppmärksamhet riktas mot en teknologi känd som Visium, vilken haft en viktig position inom fältet de senaste åren. Forskningsartiklarna som ingår i denna avhandling visar tillämpningarna av Visium-teknologin och relaterade teknologier inom biologisk forskning. 

I artikel I beskriver vi beräkningsverktyg för bearbetning, analys och visualisering av Visium-data, sammansatt till ett paket skrivet i programmeringsspråket R. Verktygen möjliggör karaktärisering av genuttrycksprofiler i vävnadssnitt och integrering av genuttrycksdata med histologiska bilder i en interaktiv programmeringsmiljö. Denna mjukvara användes i stor utsträckning för de dataanalyser som presenteras i artiklarna II, III och IV och analyser gjorda i artiklarna listade i den utökade publikationslistan. 

I artikel II presenterar vi ett atlas för det mänskliga hjärtat under utveckling, baserat på data framställd med transkriptomiska metoder. Atlasen omfattar tre tidpunkter under den första trimestern, konstruerad med hjälp av genuttrycksdata från celler och vävnadssnitt. Integrerad analys av dessa data möjliggjorde karakterisering av genuttrycksprofiler och den cellulära sammansättningen av anatomiska domäner i hjärtat, vilket belyser de biologiska processer som ligger till grund för hjärtats morfogenes hos människor. 

Artikel III utgör en studie av genuttryckslandskapet i tjocktarmen hos möss, genererad med spatial transkriptomik. Genom att vika organet till en rulle kunde vi erhålla vävnadssnitt som täcker hela tjocktarmen, vilket möjliggjorde transkriptomisk profilering av hela organet i ett enda experiment. Vävnadssnitt togs från en frisk tjocktarm och en tjocktarm som återhämtade sig från skada inducerad med en vävnadsskadande substans (DSS-inducerad kolit). Datadriven analys av den friska tjocktarmen avslöjade en tidigare oupptäckt molekylär regionalisering från de proximala till distala delarna. I den skadade tjocktarmen fann vi dramatiska förändringar i de distala vävnaderna, medan de proximala delarna var mer jämförbara med den friska tjocktarmen. I den skadade distala tjocktarmen kartlade vi flera genuttrycksprogram associerade med distinkta biologiska svar på vävnadsskada. 

I artikel IV introducerar vi ett experimentellt protokoll som utökar tillämpningarna av Visium-metoden för att studera vävnadsprover med låg RNA-kvalitet. Protokollet testades på vävnadsprover från prostatacancer, lunga, tjocktarm, tunntarm och pediatrisk hjärntumör från människa, samt vävnadsprover från hjärna och brosk från mus. Tillsammans representerade dessa prover ett brett urval av vävnader med varierande sammansättning och RNA-kvalitet. Genom jämförande analyser visade vi att denna experimentella metod överträffade det standardiserade Visium-protokollet för prover med låg till måttlig RNA-kvalitet. 

Slutligen, i artikel V, presenterar vi en uppdaterad mjukvara (R-paket) för analys av Visium-data. Detta R-paket bygger på det arbete som presenterades i artikel I, men erbjuder mer mångsidiga och effektiva verktyg för bearbetning, analys och visualisering av data. Paketet inkluderar bland annat webbaserade verktyg för interaktiv utforskning av data, bildbehandlingsmetoder och metoder för att kartlägga celltyper i vävnadssnitt. Vidare innehåller paketet ett antal analysmetoder som inkorporerar information om avstånd mellan mätningar, vilket möjliggör undersökning av biologiska fenomen som uppvisar spatiala mönster.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326142