Towards spatial host-microbiome profiling

• Main Author: Lötstedt, Britta
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Genteknologi 2021
• Subjects: 16S sequencing; RNA sequencing; spatially resolved transcriptomics; antibody-based measurements; Genetics; Genetik; Microbiology; Mikrobiologi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-289384; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7873-767-3

Sequencing technologies and applications have pushed the limits and enabled novel studies of biological mechanisms, evolutionary relationships and communication networks between cells. The technical developments leading to single cell RNA-sequencing have enabled detection of rare cell populations while spatial resolution added insights into larger biological environments, like tissues and organs. Massively parallel sequencing has paved the way for integrated high-throughput analyses including that of studying gene expression, protein expression and mapping of microbial communities. This thesis starts with an introduction describing the technical and biological advancements made in recent years with focus on spatially resolved approaches. Then, a summary of recent accomplishments is presented, which enabled ongoing work in a novel field of spatial hostmicrobiome profiling. Lastly, the concluding remarks include both a future perspective and a short reflection on the current developments in the spatial multi-omics field. 16S sequencing is often used for taxonomic classification of bacteria. In Paper I, this sequencing technique was used to study the aerodigestive microbiome in pediatric lung transplant recipients. Many of these patients regretfully reject the organ after transplant, but the underlying cause is, in many cases, unknown. In this paper, multiple factors influencing rejection were examined including that of the aerodigestive microbiome. Pediatric lung transplant recipients often suffer from gastrointestinal dysmotility and the focus of this study was also to analyze changes in the microbiome in relation to irregular gastric muscle movements. The results showed that lung transplant recipients had, in general, lower microbial diversity in the gastric fluid and throat and also that the microbial overlap between lung and gastric sampling sites was significantly less in transplant recipients compared to controls. In addition, gastrointestinal dysmotility was shown to influence the gastric microbiome in lung transplant recipients, but, given the small sample size available in this study, the correlation to patient outcome could not be examined. Integrated analysis of the transcriptome and the antibody-based proteome in the same tissue section was enabled using the method developed in Paper II. Spatial Multi- Omics (SM-Omics) uses a barcoded glass array to capture mRNA and antibody-based expression of selected proteins in the same section. The antibody-based profiling of the tissue section was enabled by either immunofluorescence or DNA-barcoded antibodies that were then decoded by sequencing. The protocol was scaled-up using an automated liquidhandling system. Using this method, simultaneous profiling of the transcriptome and multiplexed protein values was determined in both the mouse brain cortex and mouse spleen. Results showed a high correlation in spatial pattern between gene expression and antibody measurements, independently of the antibody labelling technique. SM-Omics generates a high-plex multi-omics characterization of the tissue in a high throughput manner while exhibiting low technical variation. === Tekniker och applikationer som använder sekvensering har flyttat fram gränsernaoch tillåtit nya undersökningar av biologiska mekanismer, evolutionära släktskap ochkommunikationsnätverk mellan celler. De tekniska utvecklingarna som har lett fram tillRNA-sekvensering av enskilda celler har möjliggjort upptäckten av sällsynta cellpopulationer medan den rumsliga upplösningen har inneburit en ökad förståelse av störrebiologiska miljöer, såsom vävnader och organ. Massively parallel sequencing har banat vägför integrerade analyser med hög kapacitet, vilket inkluderar analys av genuttryck,proteinuttryck och kartläggning av bakteriella samhällen. Den här avhandlingen börjar meden introduktion som beskriver tekniska och biologiska framsteg som gjorts de senaste åren,med fokus på den rumsliga upplösningen. Sedan följer en summering av de senasteprestationerna som har möjliggjort det pågående arbetet i ett nytt fält som avhandlarrumslig profilering av bakterien och dess värd. Slutligen innehåller slutordet både ettframtida perspektiv samt en kort reflektion av den nuvarande utvecklingen inom fälten förrumslig mång-omik. 16S-sekvensering används ofta för att taxonomiskt klassificera bakterier. Dennasekvenseringsteknik användes i artikel I för att studera mikrobiomet i luft- ochmatspjälkningskanalen hos barn med transplanterad lunga. Dessvärre är det vanligt medavstötning av lungan efter transplantationen hos många av dessa patienter, men denunderliggande orsaken till avstötningen är, i många fall, okänd. I denna studie undersöktesflertalet faktorer, inklusive mikrobiomet i luft- och matspjälkningskanalen, som kan tänkaspåverka bortstötningen. Barn med transplanterad lunga lider ofta av störningar i magtarmkanalens rörelser och artikelns fokus var därmed även att analysera förändringar imikrobiomet i relation till dessa avvikande rörelser i mag-tarmkanalen. Resultatet visade attpatienter med transplanterad lunga generellt hade lägre bakteriell mångfald i magsaft ochhals, samt att det bakteriella överlappet mellan lunga och magsaft var signifikant mindre ipatienter med transplanterad lunga jämfört med kontrollerna. För övrigt visade det sig attstörningar i mag-tarmkanalens rörelser påverkade magsaftens mikrobiom hos patientermed transplanterad lunga, men på grund av studiens storlek på urvalet, kunde det inteundersökas hur detta korrelerade till utfallet hos patienterna. Integrerad analys av transkriptomet och antikroppsbaserad analys av proteomet isamma vävnadssnitt har möjliggjorts genom metoden som utvecklats i artikel II. SpatialMulti-Omics (SM-Omics) använder ett avkodningsbart mönster av korta DNA-segment påen glasyta för att fånga mRNA och antikroppsbaserat uttryck av utvalda proteiner frånsamma vävnadssnitt. Den antikroppsbaserade profileringen av vävnadssnittet uppnåddesgenom antingen immunofluorescens eller antikroppar märkta med DNA-segment somkunde avkodas genom sekvensering. Protokollet skalades upp genom ett automatiseratsystem för att behandla vätskor. Genom användning av denna metod kunde simultanprofilering av transkriptomet och flertalet proteiner uppnås i både hjärnbarken och mjältenhos en mus. Resultaten visade en hög korrelation i det rumsliga mönstret mellangenuttrycket och de antikroppsbaserade mätningarna, oberoende av hur antikropparnahade märkts. SM-Omics genererar en storskalig karaktärisering av vävnaden av flera omikermed hög kapacitet samtidigt som den har låg teknisk variation. === <p>QC 2021-02-02</p>