Epigenetic characterization of human hepatocyte subpopulations in context of complex metabolic diseases and during in vitro differentiation of hepatocyte-like cells

Abstract

The comprehensive transcriptional and epigenetic characterization of human hepatocyte subpopulations is necessary to achieve a better understanding of regulatory processes in health and complex metabolic diseases as well as during in vitro differentiation. Based on integrative analysis of genome-wide sequencing data, this thesis aims to unravel hepatocyte heterogeneity in different biological contexts. A deeper understanding of spatial organization of cells in human tissues is an important challenge. Using a unique experimental set-up based on laser capture microdissection coupled to next generation sequencing, which preserves spatial orientation and still provides genome-wide data of well defined subpopulations, the first combined spatial analysis of transcriptomes and methylomes across three micro-dissected zones of human liver provides a wealth of new positional insights, both in health and in context of fatty liver disease. In addition, these spatial maps serve as reference for projection of single cell data into hepatic pseudospace, which is still a major challenge. Hence, a novel pseudospace inference approach, which considerably improves spatial reconstruction of single cells into tissue context, is demonstrated for human liver. Finally, the identification of underlying regulatory networks by integrative epigenomic analysis of in vitro differentiated hepatocyte-like cells contributes to the development of reasonable cell culture interventions to improve differentiation.

Die umfassende transkriptionelle und epigenetische Charakterisierung humaner Leberzellsubpopulationen ist notwendig für die Aufklärung regulatorischer Prozesse in gesundem Gewebe, sowie im Zusammenhang mit komplexen metabolischen Erkrankungen und während der in vitro Differenzierung. Ziel dieser Arbeit ist es, basierend auf der integrativen Analyse genomweiter Sequenzierungsdaten, die Heterogenität von Leberzellen besser zu verstehen. Die räumliche Organisation von Zellen in humanem Gewebe stellt eine große Herausforderung dar. Mit Hilfe von Lasermikrodissektion gekoppelt an Hochdurchsatzsequenzierung ist es möglich definierte Subpopulationen hinsichtlich ihres Gewebekontextes zu analysieren. Somit konnte die erste räumliche Analyse von Transkriptom und Methylom dreier Zonen der humanen Leber erstellt werden, die eine Vielzahl neuer Erkenntnisse sowohl in gesundem Lebergewebe als auch in Zusammenhang mit Fettlebererkrankungen liefert. Außerdem wurde auf Grundlage dieser räumlichen Karten ein neuer Ansatz zur Projektion von Einzelzelldaten in den räumlichen Gewebekontext etabliert. Schließlich konnte durch die integrative Analyse der ausschlaggebenden regulatorischen Netzwerke während der in vitro Differenzierung von Hepatozyten-ähnlichen Zellen neue Strategien zur Verbesserung der Differenzierung entwickelt werden.