Systems Biology of Immune Adaptations in Aging, Disease and Spaceflight

Abstract

Understanding how the immune system adapts across various tissues and conditions is essential for uncovering the underlying mechanisms of tissue adaptations and pathological inflammatory processes. This thesis studies the immune system as a network interconnected with tissues responding to local and global signals. Using high-throughput sequencing techniques, including single-cell RNA sequencing and bulk small non-coding RNA sequencing, we investigate immune responses and tissue adaptations in two main contexts: neurodegenerative diseases and physiological stress induced by spaceflight.

We analyzed single-cell RNA sequencing data from over 909k peripheral blood mononuclear cells from both healthy individuals and patients with Alzheimer's disease, Parkinson's disease, mild cognitive impairment, and overlapping conditions. Our findings reveal disease- and sex-specific changes in immune cell abundance and gene expression, highlighting peripheral immune signatures corresponding to transcriptomic changes within the brain. This supports the idea of neurodegeneration being influenced by immune dysregulation and chronic inflammation from a systemic view.

We used single-cell and bulk small non-coding RNA sequencing data from mice exposed to spaceflight to study tissue and immune adaptations under physiological stress. We identified tissue-specific and systemic changes, especially in processes such as extracellular matrix remodeling, membrane and cytoskeletal reorganization, and immune regulation. Comparisons between age groups indicated an impaired immune system in the older group. The miRNA data further strengthens our findings by revealing regulatory mechanisms involved in tissue adaptations.

We developed and implemented extensive bioinformatics pipelines to process, analyze, and interpret the complex and multi-modal datasets generated in this study. These ensured reproducible and scalable processing across a large number of samples, cell types, and conditions. Our analysis framework integrated state-of-the-art analysis methods, including differential expression analysis, pathway enrichment, RNA velocity, and cell-cell communication analysis, enabling a deep understanding of the molecular processes in the cells. We performed cross-tissue and cross-condition comparisons that revealed common or connected molecular signatures through both early integration (at the count data level) and late integration (comparative analysis of downstream results). These analyses demonstrated the immune system's central role in maintaining systemic and tissue-specific homeostasis under diverse physiological and pathological conditions.

This thesis shows the value of combining single-cell and small RNA sequencing data with computational methods to reveal immune-related adaptations in health, disease, and other conditions. By showing how immune regulation connects tissue-specific responses to systemic physiology, we enhance our understanding of the complexity and adaptability of the mammalian immune system.

Zu verstehen, wie sich das Immunsystem an verschiedene Gewebe und Bedingungen anpasst, ist wichtig, um die zugrunde liegenden Mechanismen von Gewebeanpassungen und pathologischen Entzündungsprozessen aufzudecken. In dieser Arbeit betrachten wir das Immunsystem als ein systemisches Netzwerk, das mit Geweben verbunden ist und auf lokale und systemische Signale reagieren. Mit Hilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierung, wie der Einzelzell-RNA-Sequenzierung und der Bulk-Sequenzierung kleiner nicht kodierender RNAs, untersuchen wir Immunreaktionen und Gewebeanpassungen im Hintergrund von neurodegenerativen Erkrankungen und physiologischem Stress durch einen Weltraumflug.

Wir analysierten Einzelzell-RNA-Sequenzierungs-Daten von über 909 Tausend peripheren mononukleären Blutzellen von gesunden Personen und Patienten mit Alzheimer, Parkinson, leichter kognitiver Beeinträchtigung und überlappenden Erkrankungen. Unsere Ergebnisse zeigen krankheits- und geschlechtsspezifische Veränderungen in der Anzahl der Immunzellen und der Genexpression, wobei periphere Immunsignaturen hervorgehoben werden, die mit transkriptomischen Veränderungen im Gehirn übereinstimmen. Dies unterstützt die Vorstellung, dass die Neurodegeneration durch eine Dysregulation des Immunsystems und chronische Entzündungen aus systemischer Sicht beeinflusst wird.

Wir haben Einzelzell-RNA- (280k Zellen) und Bulk-Sequenzierung-Daten nicht kodierender RNAs (686 Proben), mit besonderem Augenmerk auf miRNAs, von Mäusen verwendet, die einem Weltraumflug ausgesetzt waren, um Gewebe- und Immunanpassungen unter physiologischem Stress zu untersuchen. Wir identifizierten gewebespezifische und systemische Veränderungen, insbesondere bei Prozessen wie dem Umbau der extrazellulären Matrix, der Reorganisation von Membranen und Zytoskelett und der Immunregulation. Vergleiche zwischen den Altersgruppen deuteten auf ein geschwächtes Immunsystem in der älteren Gruppe hin. Die miRNA-Daten untermauerten unsere Ergebnisse, indem sie Regulationsmechanismen aufzeigten, die an Gewebeanpassungen beteiligt sind.

Um die komplexen und multimodalen Datensätze die in dieser Studie generiert wurden zu verarbeiten, zu analysieren und zu interpretieren, haben wir umfangreiche Bioinformatik-Pipelines entwickelt und implementiert. Diese gewährleisteten eine reproduzierbare und skalierbare Daten-Verarbeitung über viele Proben, Zelltypen und Bedingungen hinweg. Wir integrierten moderne Analysemethoden, wie die differenzielle Expressionsanalyse, die Anreicherung von Signalwegen, die RNA-Geschwindigkeit und die Analyse der Zell-Zell-Kommunikation, um ein tiefes Verständnis der molekularen Prozesse in den Zellen zu erlangen. Wir führten gewebe- und bedingungsübergreifende Vergleiche durch, die gemeinsame oder zusammenhängende molekulare Signaturen sowohl durch frühe Integration (auf den Expressions-Daten) als auch durch späte Integration (vergleichende Analyse der Analyse-Ergebnisse) aufzeigten. Diese Analysen betonen die zentrale Rolle des Immunsystems bei der Aufrechterhaltung der systemischen und gewebespezifischen Homöostase unter verschiedenen physiologischen und pathologischen Bedingungen.

Diese Arbeit zeigt, wie wertvoll die Kombination von Einzelzell- und anderen RNA-Sequenzierungsdaten mit computergestützten Methoden ist, um immunbezogene Anpassungen bei Gesundheit, Krankheit und anderen Bedingungen aufzudecken. Indem wir untersuchen, wie die Immunregulation gewebespezifische Reaktionen mit der systemischen Physiologie verbindet, verbessern wir unser Verständnis für die Komplexität und Anpassungsfähigkeit des Immunsystems von Säugetieren.