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Einzelzell-Omics-Daten stehen derzeit im Fokus der Entwicklung computergestützter Methoden in der Molekularbiologie und Genetik. Einzelzellexperimenten lieferen dünnbesetzte, hochdimensionale Daten über zehntausende Gene oder hunderttausende regulatorische Regionen in zehntausenden Zellen. Diese Daten bieten den Forschenden die Möglichkeit, Gene und regulatorische Regionen zu identifizieren, welche die Bestimmung und Aufrechterhaltung der Zellidentität koordinieren. Die gängigste Strategie zur Identifizierung von Zellidentitätsmarkern besteht darin, die Zellen zu clustern und dann Merkmale zu finden, welche die Cluster unterscheiden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Zellen innerhalb eines Clusters die gleiche Identität haben. Diese Annahme ist jedoch nicht immer zutreffend, insbesondere nicht für Entwicklungsdaten bei denen sich die Zellen in einem Kontinuum befinden und die Definition von Clustergrenzen biologisch gesehen potenziell willkürlich ist. Daher befasst sich diese Dissertation mit Clustering-unabhängigen Strategien zur Identifizierung von Markern aus Einzelzell-Omics-Daten. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist SEMITONES, eine auf linearer Regression basierende Methode zur Identifizierung von Markern. SEMITONES identifiziert (Gruppen von) Markern aus verschiedenen Arten von Einzelzell-Omics-Daten, identifiziert neue Marker und übertrifft bestehende Marker-Identifizierungsansätze. Außerdem ermöglicht die Identifizierung von regulatorischen Markerregionen durch SEMITONES neue Hypothesen über die Regulierung der Genexpression während dem Erwerb der Zellidentität. Schließlich beschreibt die Dissertation einen Ansatz zur Identifizierung neuer Markergene für sehr ähnliche, dennoch underschiedliche neurale Vorlauferzellen im zentralen Nervensystem von Drosphila melanogaster. Ingesamt zeigt die Dissertation, wie Cluster-unabhängige Ansätze zur Aufklärung bisher uncharakterisierter biologischer Phänome aus Einzelzell-Omics-Daten beitragen., Single-cell omics approaches are the current frontier of computational method development in molecular biology and genetics. A single single-cell experiment provides sparse, high-dimensional data on tens of thousands of genes or hundreds of thousands of regulatory regions (i.e. features) in tens of thousands of cells (i.e. samples). This data provides researchers with an unprecedented opportunity to identify those genes and regulatory regions that determine and coordinate cell identity acquisition and maintenance. The most common strategy for identifying cell identity markers consists of clustering the cells and then identifying differential features between these clusters, assuming that cells within a cluster share the same identity. This assumption is, however, not guaranteed to hold, particularly for developmental data where cells lie along a continuum and inferring cluster boundaries becomes non-trivial and potentially biologically arbitrary. In response, this thesis presents clustering-independent strategies for marker feature identification from single-cell omics data. The primary contribution of this thesis is a linear regression-based method for marker feature identification from single-cell omics data called SEMITONES. SEMITONES can identify markers or marker sets from diverse single-cell omics data types, identifies novel markers, outperforms existing marker identification approaches. The thesis also describes how the identification of marker regulatory regions by SEMITONES enables the generation of novel hypotheses regarding gene regulation during cell identity acquisition. Lastly, the thesis describes the clustering-independent identification of novel marker genes for highly similar yet distinct neural progenitor cells in the Drosophila melanogaster central nervous system. Altogether, the thesis demonstrates how clustering-independent approaches aid the elucidation of yet uncharacterised biological patterns from single cell-omics data.

AIMS: Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an inherited cardiac disorder that is characterized by progressive loss of myocardium that is replaced by fibro-fatty cells, arrhythmias, and sudden cardiac death. While myocardial degeneration and fibro-fatty replacement occur in specific locations, the underlying molecular changes remain poorly characterized. Here, we aim to delineate local changes in gene expression to identify new genes and pathways that are relevant for specific remodelling processes occurring during ACM.METHODS AND RESULTS: Using Tomo-Seq, genome-wide transcriptional profiling with high spatial resolution, we created transmural epicardial-to-endocardial gene expression atlases of explanted ACM hearts to gain molecular insights into disease-driving processes. This enabled us to link gene expression profiles to the different regional remodelling responses and allowed us to identify genes that are potentially relevant for disease progression. In doing so, we identified distinct gene expression profiles marking regions of cardiomyocyte degeneration and fibro-fatty remodelling and revealed Zinc finger and BTB domain-containing protein 11 (ZBTB11) to be specifically enriched at sites of active fibro-fatty replacement of myocardium. Immunohistochemistry indicated ZBTB11 to be induced in cardiomyocytes flanking fibro-fatty areas, which could be confirmed in multiple cardiomyopathy patients. Forced overexpression of ZBTB11 induced autophagy and cell death-related gene programmes in human cardiomyocytes, leading to increased apoptosis.CONCLUSION: Our study shows the power of Tomo-Seq to unveil new molecular mechanisms in human cardiomyopathy and uncovers ZBTB11 as a novel driver of cardiomyocyte loss.

Die Grundlage der Entwicklung multizellulärer Lebewesen bildet die Herausbildung stabiler Zelllinien aus einer einzelnen Zygote. Die Expression spezifischer Kombinationen von Transkriptionsfaktoren ist von zentraler Bedeutung für diesen Prozess. Des Weiteren sind epigenetische Veränderungen des Genoms von Bedeutung, über deren Verhältnis zu Änderungen der Zell-Identitäten weniger bekannt ist. In dieser Arbeit nutze ich Daten aus scATAC-seq und scRNA-seq (mit metabolischer Markierung; scSLAM-seq) um die regulierenden Elemente im Seeigel zu charakterisieren – vom 4-Zell-Stadium, über die Aktivierung des zygotischen Genoms, bis hin zu den Strukturen der frühen Pluteus-Larve. Die Schicksale der einzelnen Zellen des Seeigels sind gut erforscht und ab der vierten Zellteilung etabliert (auch wenn einzelne Veränderungen bis zum 128-Zell Stadium induziert werden können), wonach die Keimblätter fest verankert sind. Plastizität innerhalb der Keimblätter ist mindestens bis zum Ende der Gastrulation möglich. Mithilfe dieser Daten, sowie den bekannten Ergebnissen der Erforschung der Zellschicksale vergangener Jahrzehnte, ist eine Diversifizierung von Zelltypen ersichtlich, die beim 128-Zell-Stadium mit der großen Welle der zygotischen Genomaktivierung (ZGA), einer Veränderung des Chromatinzustandes und dem Verlust der Entwicklungsplastizität einhergeht. Ein kleiner Teil von Genen, im Allgemeinen zelltypspezifische Transkriptionsfaktoren, wird schon vor der großen Welle der ZGA exprimiert, während sich gut offene Chromatinstrukturen auf wenige, distinkte regulatorische Sequenzen beschränken. Von diesem Zeitpunkt an, wird die Genexpression zelltypspezifisch, auch wenn viele Chromatinelemente weiterhin zelltypübergreifend offen sind. Insgesamt sind die Chromatinelemente recht kompakt und Elemente innerhalb der Gene häufig. Danach porträtiere ich noch die regulatorischen Veränderungen die mit der neuralen Entwicklung, sowie der Diversität von skelettbildenden Zellen im Seeigel einher, The emergence of multiple, stable cell lineages from a single-cell zygote is the essence of multicellular development. Combinatorial transcription factor expression is central to this process, as well as epigenetic changes whose relationship to changes in cell-identity are far less well understood. In this thesis, I use data from scATAC-seq and scRNA-seq (with metabolic labeling; scSLAM-seq) to characterize the regulatory landscapes of sea urchin development spanning from the 4-cell embryo through maternal zygotic transition (MZT), gastrulation, and the early pluteus larvae with its ecologically relevant structures (~72h). The early fate-map in sea urchins is well understood, providing an ideal model for this analysis; the basic fate-map is established by the fourth cleavage (though inducible lineage changes are possible up to the 128-cell stage) after which germ-layer identity is locked, though there remains considerable plasticity within lineages at least through gastrulation. Using these data, along-side classic research into cell fate maps in the early embryo, I find that cell-type diversification and a loss of plasticity at 128-cell stage corresponds to a major wave of zygotic genome activation (ZGA) and a clear resolution of the chromatin landscape in the sea urchin. However, a subset of genes, often cell-type-specific transcription factors, shows evidence of pre-MZT zygotic expression with early chromatin accessibility limited to few sites with distinct regulatory sequences. From this time, gene expression profiles become highly cell-type-specific, though many regulatory elements remain ubiquitously accessible, suggesting differential transcription factor occupancy at broadly accessible sites. Overall, the regulatory landscape is fairly compact with accessible intragenic elements being frequent. Subsequently, I profile the regulatory changes underlying neurodevelopment and the diversity of skeletogenic cells in the sea urchin. Finally, I also identify ~ 100 g

AIMS: Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an inherited cardiac disorder that is characterized by progressive loss of myocardium that is replaced by fibro-fatty cells, arrhythmias, and sudden cardiac death. While myocardial degeneration and fibro-fatty replacement occur in specific locations, the underlying molecular changes remain poorly characterized. Here we aim to delineate local changes in gene expression to identify new genes and pathways that are relevant for specific remodelling processes occurring during ACM.METHODS AND RESULTS: Using Tomo-Seq, genome-wide transcriptional profiling with high spatial resolution, we created transmural epicardial to endocardial gene expression atlases of explanted ACM hearts to gain molecular insights into disease-driving processes. This enabled us to link gene expression profiles to the different regional remodelling responses and allowed us to identify genes that are potentially relevant for disease progression. In doing so, we identified distinct gene expression profiles marking regions of cardiomyocyte degeneration and fibro-fatty remodelling and revealed Zinc finger and BTB domain-containing protein 11 (ZBTB11) to be specifically enriched at sites of active fibro-fatty replacement of myocardium. Immunohistochemistry indicated ZBTB11 to be induced in cardiomyocytes flanking fibro-fatty areas, which could be confirmed in multiple cardiomyopathy patients. Forced overexpression of ZBTB11 induced autophagy and cell death-related gene programs in human cardiomyocytes, leading to increased apoptosis.CONCLUSIONS: Our study shows the power of Tomo-Seq to unveil new molecular mechanisms in human cardiomyopathy and uncovers ZBTB11 as a novel driver of cardiomyocyte loss.

Die Lokalisierung von mRNA ist ein wichtiger regulativer Mechanismus in polarisierten Zellen und in frühen Embryonalstadien. Dort sind räumliche Muster maternaler mRNA für die korrekte Entwicklung der Körperachsen und die Spezifizierung der Keimzellen verantwortlich. Systematische Analysen dieser Prozesse wurden jedoch bisher limitiert durch einen Mangel an räumlicher und zeitlicher Auflösung von Einzelzell- Sequenzierungsdaten. Wir analysierten die Dynamik des räumlichen und zeitlichen Transkriptoms während frühen Embryonalstadien von Zebrafischen. Wir verbesserten Empfindlichkeit und Auflösung von tomo-seq und erfassten damit systematisch räumlich aufgelöste Transkriptome entlang der animal-vegetalen-Achse Embryonen im Einzell-Stadium und fanden 97 vegetal lokalisierte Gene. Außerdem etablierten wir eine Hochdurchsatz kompatible Variante der RNA-Markierungsmethode scSLAM-seq. Wir wendeten diese in Embryonen während der Gastrulation. Von den vegetal lokalisierten Genen waren 22 angereichert in Keimzellen, was eine funktionelle Rolle bei der Spezifizierung von Keimzellen nahelegt. Mit tomo-seq untersuchten wir die evolutionäre Konservierung der RNA-Lokalisierung zwischen Zebrafischen und gereiften Oozyten zweier Xenopus-Arten. Wir verglichen die lokalisierten Gene, suchten nach konservierten 3'UTR-Motiven, und fanden zum Teil überlappende Motive, was auf eine mögliche mechanistische Konservierung der Lokalisierungsmechanismen hinweist. Wir untersuchten auch RNA-Editierung von Adenin zu Inosin während der Embryonalentwicklung und in den Organen erwachsener Fische. In im Gehirn exprimierten Transkripten fanden wir 117 Editierstellen, die hauptsächlich für Ionentransporter kodieren und zum Teil zum Menschen konserviert sind. Die höchsten Editierraten konnten wir in Eierstöcken, Hoden und frühen Embryonen nachweisen, was auf eine mögliche Rolle bei der Regulierung der RNA-Stabilität hindeutet., Subcellular localization of mRNA is an important regulatory mechanism in polarized cells. In early embryos of many species, spatial patterns of maternal mRNA are essential for the proper development of body axes and the specification of germ cells. These processes have been studied in zebrafish, but systematic analyses have been hindered by a lack of spatial and temporal information in single-cell RNA sequencing. We performed a spatial-temporal analysis of the zebrafish transcriptome during early embryonic development to systematically characterize localized mRNA and the fate of maternal transcripts until gastrulation stage. We enhanced sensitivity and resolution of the tomo-seq method and systematically acquired spatially-resolved transcriptomes along the animal-vegetal axis of one-cell stage zebrafish embryos, and found 97 genes to be localized vegetally. Furthermore, we established an in vivo and high-throughput compatible version of the single-cell RNA labeling method scSLAM-seq in gastrulation stage embryos. We followed localized transcripts until gastrulation and found transcripts of 22 of the vegetally localized genes enriched in primordial germ cells. We propose that these genes have a functional role in the early priming of the germ cell fate. To investigate the evolutionary conservation of vegetal RNA localization, we acquired tomo-seq datasets of mature oocytes of two xenopus species. We compared the pools of localized RNA and searched for conserved 3’UTR motifs. The resulting sets showed high similarity, possibly reflecting a mechanistic conservation of localization pathways. We also investigated RNA A-to-I editing during embryonic development and in organs of adult fish. Specifically, we identified 117 recoding editing sites in the brain that mainly encode for ion transporters and are partly conserved in humans. We detected the highest editing levels in ovary, testes and in early embryos, implicating a potential role in regulating RNA stability.

Single cell biology has the potential to elucidate many critical biological processes and diseases, from development and regeneration to cancer. Single cell analyses are uncovering the molecular diversity of cells, revealing a clearer picture of the variation among and between different cell types. New techniques are beginning to unravel how differences in cell state—transcriptional, epigenetic, and other characteristics—can lead to different cell fates among genetically identical cells, which underlies complex processes such as embryonic development, drug resistance, response to injury, and cellular reprogramming. Single cell technologies also pose significant challenges relating to processing and analyzing vast amounts of data collected. To realize the potential of single cell technologies, new computational approaches are needed. On March 17–19, 2021, experts in single cell biology met virtually for the Keystone eSymposium “Single Cell Biology” to discuss advances both in single cell applications and technologies.

Das Herz eines Zebrafishs ist bemerkenswert, da es sich nach einer Verletzung vollständig regenerieren kann. Der Regenerationsprozess wird von Fibrose begleitet - der Bildung von überschüssigem Gewebe der extrazellulären Matrix (ECM). Anders als bei Säugetieren ist die Fibrose im Zebrafish nur transient. Viele Signalwege wurden identifiziert, die an der Herzregeneration beteiligt sind. Allerdings sind die Zelltypen, insbesondere Nicht-Kardiomyozyten, die für die Regulation des Regenerationsprozesses verantwortlich sind, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit haben wir systematisch alle Zelltypen des gesunden und des verletzten Zebrafischherzens mithilfe einer auf Mikrofluidik basierenden Hoch-Durchsatz- Einzelzell-RNA-Sequenzierung bestimmt. Wir fanden eine große Heterogenität von ECM-produzierenden Zellen, einschließlich einer Reihe neuer Fibroblasten, die nach einer Verletzung mit unterschiedlicher Dynamik auftreten. Wir konnten aktivierte Fibroblasten beschreiben und Fibroblasten-Subtypen mit einer pro-regenerativen Funktion identifizieren. Darüber hinaus haben wir eine Methode entwickelt, um die Transkriptomanalyse und die Rekonstruktion von Zell-Verwandtschaften auf Einzelzellebene zu kombinieren. Unter Verwendung der CRISPR-Cas9-Technologie führten wir zufällige Mutationen in bekannte und ubiquitär transkribierte DNA-Loci während der Embryonalentwicklung von Zebrafischen ein. Diese Mutationen dienten als zellspezifische, permanente und vererbbare “Barcodes”, die zu einem späteren Zeitpunkt erfasst werden konnten. Mit maßgeschneiderten Analysealgorithmen konnten wir dann Stammbäume der sequenzierten Einzelzellen erstellen. Mit dieser neuen Methode haben wir gezeigt, dass im sich regenerierenden Zebrafischherz ECM-produzierende Zellpopulationen entweder mit dem Epi- oder mit dem Endokardium verwandt sind. Zusätzlich entdeckten wir, dass vom Endokardium abgeleitete Zelltypen vom Wnt-Signalweg abhängig sind., The zebrafish heart has the remarkable capacity to fully regenerate after injury. The regeneration process is accompanied by fibrosis - the formation of excess extracellular matrix (ECM) tissue, at the injury site. Unlike in mammals, the fibrosis of the zebrafish heart is only transient. While many pathways involved in heart regeneration have been identified, the cell types, especially non-myocytes, responsible for the regulation of the regenerative process have largely remained elusive. Here, we systematically determined all different cell types of both the healthy and cryo-injured zebrafish heart in its regeneration process using microfluidics based high-throughput single-cell RNA sequencing. We found a considerable heterogeneity of ECM producing cells, including a number of novel fibroblast cell types which appear with different dynamics after injury. We could describe activated fibroblasts that extensively switch on gene modules for ECM production and identify fibroblast sub- types with a pro-regenerative function. Furthermore, we developed a method that is capable of combining transcriptome analysis with lineage tracing on the single-cell level. Using CRISPR-Cas9 technology, we introduced random mutations into known and ubiquitously transcribed DNA loci during the zebrafish embryonic development. These mutations served as cell-unique, permanent, and heritable barcodes that could be captured at a later stage simultaneously with the transcriptome by high-throughput single-cell RNA sequencing. With custom tailored analysis algorithms, we were then able to build a developmental lineage tree of the sequenced single cells. Using this new method, we revealed that in the regenerating zebrafish heart, ECM contributing cell populations derive either from the epi- or the endocardium. Additionally, we discovered in a functional experiment that endocardial derived cell types are Wnt signaling dependent.