Universität zu Köln

Bradshaw, William John ORCID: 0000-0002-7345-3866 (2020). Characterising antibody immunity and ageing in a short-lived teleost. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ageing individuals exhibit a pervasive decline in adaptive immune function, with important implications for health and lifespan. Systemic changes observed in the structure and diversity of antibody repertoires with age are thought to play an important role in this immunosenescent phenotype; however, the relatively long lifespan of most vertebrate model organisms makes thorough investigation of the ageing repertoire challenging. As a naturally short-lived vertebrate, the turquoise killifish (Nothobranchius furzeri) offers an exciting new opportunity to study the ageing of the adaptive immune system in general and antibody repertoires in particular. In this thesis, I used a combination of existing genomic assemblies and new sequencing data to assemble and characterise the immunoglobulin heavy chain (IGH) locus sequence in the turquoise killifish and compare it to those of closely related species, revealing a history of dynamic locus evolution and repeated duplication and loss of the specialised mucosal isotype IGHZ. The N. furzeri locus itself lacks IGHZ, making it one of the few known teleost species not to possess this isotype. These results support a high rate of evolution in teleost IGH loci and set a strong foundation for the study of comparative evolutionary immunology in cyprionodontiform fishes. Having characterised the IGH locus sequence in N. furzeri, I used it to establish targeted immunoglobulin sequencing in this species, enabling quantitative interrogation of the antibody repertoire. Applying this protocol to whole-body killifish samples revealed complex and individualised antibody repertoires which decline rapidly in within-individual diversity and increase in between-individual variability with age, demonstrating that turquoise killifish exhibit a rapid repertoire-ageing phenotype in line with their short lifespans. This loss of diversity with age was particularly strong in isolated gut samples, a phenomenon that may be related to the constant strong antigenic exposure experienced at mucosal surfaces and has not been previously investigated in a vertebrate model. Taken together, these results establish the turquoise killifish as a novel model for vertebrate immunosenescence and lay the groundwork for future interrogation of -- and intervention in -- adaptive-immune ageing.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Alternde Menschen zeigen einen stetigen Rückgang der adaptiven Immunfunktion, mit wichtigen Auswirkungen auf Gesundheit und Lebensdauer. Systemische Veränderungen, die in der Struktur und Diversität des Antikörperrepertoires mit dem Alter beobachtet werden, spielen eine wichtige Rolle in diesem immunoseneszenten Phänotypen; die relativ lange Lebensdauer der meisten Wirbeltier-Modellorganismen macht eine gründliche Untersuchung des alternden Immunrepertoires jedoch schwierig. Als natürlich kurzlebiges Wirbeltier bietet der Türkise Prachtgrundkärpfling (Nothobranchius furzeri) eine aufregende neue Gelegenheit, die Alterung des adaptiven Immunsystems im Allgemeinen und des Antikörperrepertoires im Besonderen zu untersuchen. In dieser Arbeit habe ich eine Kombination aus bestehenden genomischen Assemblierungen und neu generierten Sequenzierungsdaten verwendet, um den Immunoglobulin-H-Ketten-Locus des Türkisen Prachtgrundkärpflings zusammenzusetzen, zu charakterisieren und mit Loci eng verwandter Arten zu vergleichen. Dies zeigt eine dynamische Locus-Entwicklung mit sich wiederholenden Duplizierungen und Verlusten des spezialisierten mukosalen Isotypen IGHZ. Diese Ergebnisse unterstützen eine hohe Evolutionsrate der Immunoglobulin-H-Ketten-Loci in den Teleostei und bilden eine solide Grundlage für die Forschung der vergleichenden evolutionären Immunologie in Zahnkärpflingen. Nachdem ich die Immunoglobulin-H-Ketten-Locus-Sequenz in N. furzeri charakterisiert hatte, nutzte ich sie, um Immunoglobulin-Sequenzierung gezielt für diese Spezies zu etablieren, welche eine quantitative Analyse des Antikörperrepertoires ermöglicht. Die Anwendung dieses Protokolls auf Ganzkörper-Fischproben ergab komplexe und individualisierte Antikörperrepertoires, die in der intraindividuellen Diversität mit dem Alter rasch abnehmen und in der interindividuellen Variabilität zunehmen. Dies zeigt, dass die Antikörperrepertoires von Türkisen Prachtgrundkärpflingen, entsprechend ihrer kurzen Lebensdauer schnelle Alterungsprozesse aufweisen. Dieser altersbedingte Diversitätsverlust war besonders stark in Darmproben - ein Phänomen, das mit der konstanten ausgeprägten Antigenexposition an Schleimhautoberflächen zusammenhängen kann und bisher nicht in einem Wirbeltier-Modell untersucht wurde. Zusammenfassend etablieren diese Ergebnisse den Türkisen Prachtgrundkärpfling als neuartiges Modell für die Erforschung von Immunoseneszenz in Wirbeltieren und bilden die Grundlage für zukünftige Analysen von und Interventionsstudien an adaptiver Immunalterung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bradshaw, William John wjbradshaw1@gmail.com orcid.org/0000-0002-7345-3866 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-108262
Date:	25 March 2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language immunosenescence immunoglobulin sequencing immune repertoire sequencing IgSeq turquoise killifish antibody evolution ageing English
Date of oral exam:	6 June 2019
Referee:	Name Academic Title Valenzano, Dario Riccardo Dr. Beyer, Andreas Prof. Dr. Lässig, Michael Prof. Dr.
Related URLs:	Data
Funders:	Cologne Graduate School of Ageing Research
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10826