From pig to cell : experimental investigation of transcriptional patterns promoting phenotypic expression in the pig

Domestizierte Schweine (sus scrofa domesticus) sind wertvoll Modelltiere, da sie eine große Ähnlichkeit mit der menschlichen Physiologie und Körpergröße haben. Darüber hinaus spielen sie als Nutztiere eine wichtige Rolle in der Landwirtschaft und Ernährungswirtschaft. Folglich wurden vor allem Phänotypen, Charakteristika und Eigenschaften in verschiedenen Forschungsarbeiten aus mehreren Perspektiven untersucht und durch die Einführung der Next Generation Sequencing Technologie massiv durch genomweite Hochdurchsatz-Studien ausgeweitet. Insbesondere die Erstellung von Genexpressionsprofilen (auch bekannt als „Transcriptomics“) bietet heutzutage neue Möglichkeiten die Dynamik von Genen zu untersuchen, die komplexe Phänotypen auf molekularer und zellulärer Ebene regulieren. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist daher, die molekulare Dynamik von verschiedenen Phänotypen bei Schweinen zu erforschen und ihre Muster auf Transkriptomebene auf der Basis von Zellen und Geweben zu identifizieren. Über diese Untersuchungen können damit Hauptsignalwege bestimmt werden, die für die biomedizinische Forschung und Züchtungsstrategien wesentlich sind.

In der ersten Studie dieser Dissertation war unser Ziel, das Transkriptom von mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks (BM-MSC) aus einer „bulk“ RNA-Sequenzierung zu charakterisieren, die von Miniaturschweinen der Rasse Mini-LEWE entnommen wurden. Diese adulten Stammzellen sind für ihr Differenzierungs- und Selbsterneuerungspotential bekannt. Aus diesen Gründen werden BM-MSC als erfolgversprechende Kandidaten für die regenerative Stammzelltherapie und Wundheilung betrachtet. Insbesondere aufgrund von Ähnlichkeiten zwischen der menschlichen Physiologie und der des Schweines werden BM-MSC von Schweinen routinemäßig als Model in der Biomedizin und auch translationalen Medizin genutzt. Daher haben wir die Genexpressionsprofile von BM-MSC und ihren differenzierten Zelltypen erforscht. Unsere Ergebnisse legten nahe, dass die Signalwege Rap1, PI3K-Akt und MAPK ein Schlüssel dafür sein könnten, dass sich Stammzellen mit ihren charakteristischen Eigenschaften entwickeln. Außerdem haben wir 18 Gene identifiziert, die möglicherweise die Differenzierung von Zellen vorantreiben und weitere drei verschiede Gencluster, die für die Spezifizierung der Zelltypen im Differenzierungsprozess verantwortlich sind. Insgesamt hat diese Studie generell zu einem tieferen Verständnis über den molekularen Phänotypen der BM-MSC vom Schwein geführt.

In der zweiten Studie haben wir „bulk“ RNA-Sequenzierung genutzt, um das Genexpressionsprofil von Haarwurzeln von Schweinen der Rasse Mangalitza zu erforschen, die ein lockiges Haarkleid haben. Das Ziel war die Dynamiken des Gen-Netzwerks beim ersten Auftreten im lockigen Haar im Ferkel zu erforschen und darüber hinaus die Änderungen des Haares von erwachsenen Schweinen während jahreszeitlicher Temperaturschwankungen zu identifizieren. Außerdem haben wir die Informationen von zwei Missense-Varianten in TRPM2 und CYP4F3 integriert, die in einer vorangehenden Studie mit dem Lockenhaar assoziiert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass möglicherweise Lipidmetabolismus- und Calcium-Signalwege ursächliche für diesem Phänotyp und seine Entwicklung sein könnten.

Insgesamt hat diese Doktorarbeit einen Einblick in komplexe Merkmale von Schweinen auf molekularer Ebene unter Einsatz von Hochdurchsatz RNA-Sequenzierung gegeben. Diese Ergebnisse könnten helfen die Komplexität der Gen-Netzwerke zu entwirren, die mit diesen Phänotypen assoziiert sind und liefern uns damit umfassendes Wissen für zukünftige Forschungsarbeiten in der Biomedizin und auch für die Entwicklung von Züchtungsstrategien.