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Multi-omics analysis as a tool to investigate causes and consequences of impaired genome integrity

  • Impaired genome integrity has severe consequences for the viability of any cell. Unrepaired DNA lesions can lead to genomically unstable cells, which will often become predisposed for malignant growth and tumorigenesis, where genomic instability turns into a driving factor through the selection of more aggressive clones. Aneuploidy and polyploidy are both poorly tolerated in somatic cells, but frequently observed hallmarks of cancer. Keeping the genome intact requires the concentrated action of cellular metabolism, cell cycle and DNA damage response. This study presents multi-omics analysis as a versatile tool to understand the various causes and consequences of impaired genome integrity. The possible computational approaches are demonstrated on three different datasets. First, an analysis of a collection of DNA repair experiments is shown, which features the creation of a high-fidelity dataset for the identification and characterization of DNA damage factors. Additionally, a web-application is presented that allows scientists without a computational background to interrogate this dataset. Further, the consequences of chromosome loss in human cells are analyzed by an integrated analysis of TMT labeled mass spectrometry and sequencing data. This analysis revealed heterogeneous cellular responses to chromosome losses that differ from chromosome gains. My analysis further revealed that cells possess both transcriptional and post-transcriptional mechanisms that compensate for the loss of genes encoded on a monosomic chromosome to alleviate the detrimental consequences of reduced gene expression. In my final project, I present a multi-omics analysis of data obtained from SILAC labeled mass spectrometry and dynamic transcriptome analysis of yeast cells of different ploidy, from haploidy to tetraploid. This analysis revealed that unlike cell volume, the proteome of a cell does not scale linearly with increasing ploidy. While the expression of most proteins followed this scaling, several proteins showed ploidy-dependent regulation that could not be explained by transcriptome expression. Hence, this ploidy-dependent regulation occurs mostly on a post-transcriptional level. The analysis uncovered that ribosomal and translation related proteins are downregulated with increasing ploidy, emphasizing a remodeling of the cellular proteome in response to increasing ploidy to ensure survival of cells after whole genome doubling. Altogether this study intends to show how state-of-the-art multi-omics analysis can uncover cellular responses to impaired genome integrity in a highly diverse field of research.
  • Beeinträchtigte Genomintegrität hat drastische Folgen für die Überlebensfähigkeit jedweder Zelle. Unreparierte DNA-Läsionen können zu genomisch instabilen Zellen führen, welche häufig für unkontrolliertes Wachstum und Tumorentstehung prädisponiert sind. Die genomische Instabilität wird so durch die Selektion aggressiverer Klone zu einem treibenden Faktor in Krebs. Aneuploidie und Polyploidie werden in somatischen Zellen schwer toleriert, sind aber häufig beobachtete Krebsmerkmale. Um das Genom intakt zu halten, ist ein Zusammenspiel von Zellstoffwechsel, Zellzyklus und DNA-Reparatur erforderlich. In dieser Studie wird Multi-Omics-Analyse als Werkzeug zur Untersuchung diverser Ursachen und Folgen beeinträchtigter Genomintegrität vorgestellt. Mögliche Analysen werden anhand von drei verschiedenen Datensätzen demonstriert. Zunächst wird eine Analyse einer Sammlung von DNA-Reparaturexperimenten präsentiert, welche die Entstehung eines Datensatzes zur präzisen Identifizierung und Charakterisierung von DNA-Schadensfaktoren ermöglichte. Darüber hinaus wird eine Web-App vorgestellt, die es Biowissenschaftlern ermöglicht, diesen Datensatz zu untersuchen. Weiterhin werden die Folgen des Chromosomenverlusts in menschlichen Zellen durch eine Analyse von TMT-Massenspektrometrie und Sequenzierungsdaten untersucht. Diese Analyse zeigte, daß sich die heterogene zelluläre Reaktion auf Chromosomenverlust von der auf Chromosomengewinn unterscheidet. Meine Analyse ergab, daß Zellen sowohl transkriptionelle als auch post-transkriptionelle Mechanismen besitzen, die den Verlust von Genen auf einem monosomischen Chromosom kompensieren, um die Folgen der reduzierten Genexpression zu mildern. In meiner dritten Studie präsentiere ich eine Multi-Omics Analyse, in welcher ich Daten aus SILAC-Massenspektrometrie und einer dynamischen Transkriptomanalyse von Hefezellen verschiedener Ploidie, von haploid bis tetraploid, untersuche. Diese Analyse ergab, daß das Proteom einer Zelle im Gegensatz zum Zellvolumen nicht-linear mit zunehmender Ploidie skaliert. Während die Expression der meisten Proteine dieser Skalierung folgte, zeigten mehrere Proteine eine ploidie-abhängige Regulierung, die nicht durch die Expression des Transkriptoms erklärt werden konnte und folglich post-transkriptionell stattfindet. Die Analyse ergab, daß ribosomale und translationsbezogene Proteine mit steigender Ploidie herunterreguliert werden, was auf einen Umbau des Proteoms als Reaktion auf höhere Ploidie deutet, um das Überleben der Zellen nach einer Genomverdopplung sicherzustellen. Insgesamt soll diese Studie zeigen, wie moderne Multi-Omics-Analysen zelluläre Reaktionen auf beeinträchtige genomische Instabilität in einem vielfältigen Forschungsbereich aufdecken können.

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Metadaten
Author:Paul Robert Menges
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-67191
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6719
Advisor:Zuzana Storchova
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2022/01/19
Year of Publication:2022
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/01/13
Date of the Publication (Server):2022/01/19
Number of page:220
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Biologie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften, Biologie
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)