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Transcriptomics of THP-1 macrophages & Bordetella pertussis Tohama I interplay
Mariam Rukhama Farman
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Molekulare Biologie
Betreuer*in
Ivo Hofacker
DOI
10.25365/thesis.80547
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14400.84016.340355-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Eine Infektion ist ein dynamischer Prozess, der durch das Eindringen und die Vermehrung eines Krankheitserregers in einem Wirt gekennzeichnet ist. RNA seq ist eine effektive Methode zur Quantifizierung des gesamten Spektrums an Transkripten während einer Infektion. Anstatt die interagierenden Organismen physisch zu trennen, erfordert die Analyse ihrer Beziehung nun weniger invasive Versuchsprotokolle. Dies wird durch Dual-RNA-seq erleichtert, bei dem die gesamte RNA des Wirt-Erreger-Systems extrahiert und ihre jeweiligen Transkriptome in silico getrennt werden. Dieser Ansatz ermöglicht die gleichzeitige Profilerstellung der Genexpression in diesen Organismen und die Analyse ihrer direkten Interaktionen während der Infektion. Diese Studie demonstriert die Anwendung von dualem RNA-Seq zur Untersuchung der Prozesse, die bei der Infektion menschlicher THP-1-Makrophagen durch Bordetella pertussis Tohama I (B. pertussis) eine Rolle spielen. Trotz der Verfügbarkeit von Ganzzell- und azellulären Impfstoffen tritt Pertussis immer wieder auf. Das jüngste Wiederauftreten von Pertussis unterstreicht die Notwendigkeit, unser Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Pathogenität von B. pertussis zugrunde liegen, zu erweitern. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich eine umfassende Analyse von Dual-RNA-Seq-Daten unter Verwendung fortschrittlicher Bioinformatiktechniken durchgeführt, um die biologischen Mechanismen dieses obligat extrazellulären Erregers aufzuklären und die Immunantwort des Wirts auf die Infektion zu charakterisieren. Unsere Forschung ergab: (i) Obwohl es sich um einen extrazellulären Erreger handelt, kann B. pertussis in Makrophagen überleben; (ii) die Genexpression in THP-1-Makrophagen wurde umfassend umgestaltet; (iii) Gene in THP-1, die für Zytokine, Chemokine und Transkriptionsregulatoren kodieren, die an der Initiierung der M1- und M2-Makrophagen-Polarisationswege beteiligt sind, wurden stark exprimiert; (iv) THP-1-Gene, die an der Steuerung von Apoptose und Entzündungswegen beteiligt sind, die häufig von bakteriellen Pathogenen unter Ausnutzung der Bvg-Phase genutzt werden, wurden überexprimiert; (v) Veränderungen in der Expression spezifischer THP-1-Genuntergruppen, die an Signal- und Stoffwechselwegen beteiligt sind; (vi) eine große Anzahl von Genen, die am Schwefelstoffwechsel beteiligt sind, wurden innerhalb der Makrophagen signifikant moduliert; (vii) und eine verminderte Expression der meisten Virulenzfaktoren, zusammen mit einer erhöhten Aktivität mehrerer Transkriptionsregulatoren von B. pertussis während der Infektion. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass B. pertussis von einer Bvg+ (virulenten) zu einer Bvg- (avirulenten) Phase übergeht, um sich an die intramakrophagale Umgebung anzupassen undaufdiedurchTHP-1-Zellen ausgelösten antimikrobiellen Aktivitäten zu reagieren, ein Phänomen, das bisher in diesem Ausmaß nicht beobachtet wurde. Um weitere Einblicke in das komplexe Zusammenspiel vonTHP-1-Makrophagen und B. pertussis zu gewinnen, haben wir im Rahmen der Studie ein neuartiges Software-Tool namens MSF unter Verwendung von Java entwickelt, um gemeinsam modulierte Teilgraphen in THP-1 und B. pertussis zu erkennen, unsere Ergebnisse zu untermauern und Gene zu identifizieren, die möglicher weise in engem Zusammenhang zwischen den beiden Spezies stehen.
Abstract
(Englisch)
Infection is a dynamic process characterized by the invasion and proliferation of a pathogen within a host. RNA-seq is an effective method for quantifying the full spectrum of transcripts during infection. Instead of physically separating the interacting organisms, analyzing their relationship now requires less invasive experimental protocols. This is facilitated through dual RNA-seq, wherein the entire RNA of the host-pathogen system is extracted, and their respective transcriptomes are separated in silico, allowing for the concurrent examination of gene expression in these organisms as well as their direct interaction analysis during infection. This study demonstrates the application of dual RNA-seq to investigate the processes involved in the infection of human THP-1 macrophages by Borde tella pertussis Tohama I (B. pertussis). Despite having both whole-cell and acellular vaccines, pertussis keeps re-emerging. The recent resurgence of pertussis underscores the imperative to broaden our comprehension of the molecular mechanisms that underlie the pathogenicity of B. pertussis. As part of my doctoral research, I conducted a comprehensive analysis of dual RNA-seq data using advanced bioinformatics techniques to elucidate the biological mechanisms of this obligate extracellular pathogen and to characterize the host immune response to infection. Our research identified: (i) despite being an extracellular pathogen, B. pertussis can survive inside macrophages; (ii) gene expression in THP-1 macrophages was extensively rewired; (iii) genes in THP-1 that encode cytokines, chemokines, and transcription regulators involved in initiating the M1 and M2 macrophage polarization pathways were highly expressed; (iv) THP-1 genes involved in controlling apoptosis and inflammation pathways frequently exploited by bacterial pathogens utilizing the Bvg-phase were overexpressed; (v) changes in expression of specific THP-1 gene subsets involved in signaling and metabolism pathways; (vi) a large number of genes involved in sulfur metabolism were significantly modulated within macrophages; (vii) and decreased expression of most virulence factors, along with increased activity of several transcriptional regulators of B. pertussis, during infection. These findings indicated that B. pertussis transitions from a Bvg+ (virulent) to a Bvg- (avirulent) phase to adapt to the intramacrophage environment and respond to antimicrobial activities triggered by THP-1 cells, a phenomenon not previously observed on such a scale. To provide further insights into the complex interplay of THP-1 macrophages and B. pertussis, during the study, we developed a novel software tool, MSF using Java, to detect concertedly modulated sub-graphs in the THP-1 and B. pertussis to support our findings and identify genes that may strongly associate between the two species.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bordetalla pertussis dual RNA-seq avirulente Phase BvgAS Wirt-Pathogen-Interaktion Kombination des p-Werts Zell-Signalnetzwerk
Schlagwörter
(Englisch)
Bordetalla pertussis dual RNA-seq avirulent phase BvgAS host-pathogen interaction combining p-value cell signalling network
Autor*innen
Mariam Rukhama Farman 
Haupttitel (Englisch)
Transcriptomics of THP-1 macrophages & Bordetella pertussis Tohama I interplay
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
x, 104 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Franz-Michael Jantsch ,
Leon Schulte
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein. Sonstiges
AC Nummer
AC17793409
Utheses ID
77675
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |