Universität zu Köln

Azami, Sina ORCID: 0000-0002-8702-6881 (2022). Role of enteroendocrine cells in intestinal homeostasis and ageing. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Intestine is a large and dynamic organ with a defined population of stem cells (ISCs) that are capable of giving rise to different differentiated cell types. The enteroendocrine cells (EEs) in the gut are responsible for producing different hormones which affect physiological and cellular processes locally and systemically throughout the body. In the intestine of the fruit fly (Drosophila melanogaster), EEs cumulatively produce 12 different prohormones that give rise to more than 20 hormone peptides. Despite their physiological importance, not much is known about the role that EEs and their products play in intestinal homeostasis during ageing in Drosophila. In the first part of my thesis, I investigated the mechanism by which the transcription factor Klumpfuss (Klu) determines the choice between enterocyte (EC) versus EE differentiation in the Drosophila intestine. We demonstrated that Klu acts in a cell-autonomous manner to restrict enteroblast (EB) cell fate to EC differentiation. Inhibition of klu expression by RNA interference resulted in excess EE differentiation. Ectopic expression of klu in ISCs reduces their proliferative capacity and blocked differentiation. Lastly, we showed that Klu acts down stream of Notch signaling in determining EC cell fate decision. In the second part of my thesis I employed a combination of bulk and single cell RNA sequencing (scRNA-seq) to investigate the changes in EE cells during ageing in both males and females. We observed significant changes in transcript-level for different EE hormones in our bulk RNA sequencing dataset. We examined the functional consequence of knocking down these hormones on ISC-proliferation and discovered that several EE-derived hormones play a role in promoting ISC-proliferation after infection. Moreover, we observed upregulation of pathways that are related to cell cycle and differentiation in old EEs, signifying changes in EE differentiation in the aged intestine. Analyzing our scRNA-seq dataset using Seurat algorithm and supervised clustering confirmed several of the changes from our bulk RNA-seq experiment, while expanding our knowledge on EE subtype change with age. We identified 4 major EE clusters in all conditions: NPF, AstA, AstC and EE progenitor cells, and observed increases in EE progenitor and AstA cell types in old female samples. Moreover, we observed a decrease of cells in the NPF cluster in old versus young female samples. This change was confirmed by Gal4 reporter line analysis for this hormone. Interestingly, the reduction of NPF-producing EEs in old flies happened in both male and female samples, but in different anatomical regions of the intestine. Finally, we showed that transcript of the transcription factor Escargot, which was thought to be restricted solely to the ISC and EB, is unexpectedly present in almost all EE clusters. With this study I have increased our understanding of ISC differentiation and cell fate determination in Drosophila intestine, and documented the changes that EE cells sustain during the ageing process. These results will be of crucial importance to better understand the role of EE cells in gut health and disease in an increasingly ageing population.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Rolle der enteroendokrinen Zellen bei der intestinalen Homöostase und Alterung. German
Translated abstract:	Abstract Language Der Darm ist ein großes und dynamisches Organ mit einer definierten Population von Stammzellen (ISCs), die in der Lage sind, verschiedene differenzierte Zelltypen hervorzubringen. Die enteroendokrinen Zellen (EEs) im Darm sind für die Produktion verschiedener Hormone verantwortlich, die physiologische und zelluläre Prozesse lokal und systemisch im ganzen Körper beeinflussen. Im Darm der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) produzieren EEs kumulativ 12 verschiedene Prohormone, aus denen mehr als 20 Hormonpeptide entstehen. Trotz ihrer physiologischen Bedeutung ist nicht viel über die Rolle bekannt, die EEs und ihre Produkte bei der intestinalen Homöostase während des Alterns von Drosophila spielen. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich den Mechanismus untersucht, durch den der Transkriptionsfaktor Klumpfuss (Klu) die Wahl zwischen Enterozyten (EC) versus EE-Differenzierung im Drosophila-Darm bestimmt. Wir haben gezeigt, dass Klu auf zellautonome Weise wirkt, um das Zellschicksal von Enteroblasten (EB) auf die EC-Differenzierung zu beschränken. Die Hemmung der klu-Expression durch RNA-Interferenz führte zu einer übermäßigen EE-Differenzierung. Die ektopische Expression von klu in ISCs verringert ihre Proliferationsfähigkeit und blockiert die Differenzierung. Schließlich haben wir gezeigt, dass Klu stromabwärts der Notch-Signalgebung wirkt, um die Entscheidung über das Schicksal von EC-Zellen zu bestimmen. Im zweiten Teil meiner Doktorarbeit habe ich eine Kombination aus Massen- und Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) eingesetzt, um die Veränderungen in EE-Zellen während des Alterns sowohl bei Männern als auch bei Frauen zu untersuchen. Wir beobachteten signifikante Änderungen der Transkriptebene für verschiedene EE-Hormone in unserem Bulk-RNA-Sequenzierungsdatensatz. Wir untersuchten die funktionellen Folgen des Abbaus dieser Hormone auf die ISC-Proliferation und entdeckten, dass mehrere von EE stammende Hormone eine Rolle bei der Förderung der ISC-Proliferation nach einer Infektion spielen. Darüber hinaus beobachteten wir eine Hochregulierung von Signalwegen, die mit dem Zellzyklus und der Differenzierung in alten EEs zusammenhängen, was auf Veränderungen in der EE-Differenzierung im gealterten Darm hinweist. Die Analyse unseres scRNA-seq-Datensatzes mit dem Seurat-Algorithmus und überwachtem Clustering bestätigte mehrere der Änderungen aus unserem Bulk-RNA-seq-Experiment und erweiterte gleichzeitig unser Wissen über die EE-Subtyp-Änderung mit dem Alter. Wir identifizierten 4 große EE-Cluster unter allen Bedingungen: NPF, AstA, AstC und EE-Vorläuferzellen und beobachteten eine Zunahme der EE-Vorläufer- und AstA-Zelltypen in alten weiblichen Proben. Darüber hinaus beobachteten wir eine Abnahme der Zellen im NPF-Cluster in alten versus jungen weiblichen Proben. Diese Veränderung wurde durch Gal4-Reporterlinienanalyse für dieses Hormon bestätigt. Interessanterweise erfolgte die Reduktion von NPF-produzierenden EEs in alten Fliegen sowohl in männlichen als auch in weiblichen Proben, aber in unterschiedlichen anatomischen Regionen des Darms.Schließlich zeigten wir, dass das Transkript des Transkriptionsfaktors Escargot, von dem angenommen wurde, dass es nur auf ISC und EB beschränkt ist, unerwarteterweise in fast allen EE-Clustern vorhanden ist. Mit dieser Studie habe ich unser Verständnis der ISC-Differenzierung und Bestimmung des Zellschicksals im Drosophila-Darm erweitert und die Veränderungen dokumentiert, die EE-Zellen während des Alterungsprozesses erleiden. Diese Ergebnisse werden von entscheidender Bedeutung sein, um die Rolle von EE-Zellen für die Darmgesundheit und Darmerkrankungen in einer zunehmend alternden Bevölkerung besser zu verstehen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Azami, Sina sina.azami2010@gmail.com orcid.org/0000-0002-8702-6881 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Reviewer Uhlirova, Mirka UNSPECIFIED Thesis advisor Partridge, Linda UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-645873
Date:	8 December 2022
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Biology of Ageing
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Enteroendocrine cells, Enteroendocrine cell hormones, NPF, Klumpfuss UNSPECIFIED
Date of oral exam:	8 December 2022
Referee:	Name Academic Title Partridge, Linda Professor Uhlirova, Mirka Professor
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/64587