Statistische Quantifizierung und Modellierung der Veränderungen von Genexpression und biologischen Prozessen in der Stammzelldifferenzierung

• Antragstellerin: Dr. Birte Hellwig
• Fachliche Zuordnung: Epidemiologie und Medizinische Biometrie/Statistik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491064493

In diesem Projekt werden statistische Methoden erarbeitet, um den Differenzierungsprozess von Stammzellen zu Hepatozyten-ähnlichen Zellen zu modellieren und biologisch zu charakterisieren. Primäre menschliche Hepatozyten sind ein etabliertes Werkzeug in der Pharmakologie und Toxikologie und haben das Potenzial, bei metabolischen Lebererkrankungen zur Transplantation eingesetzt zu werden. Sie können jedoch ausschließlich aus operativ resezierten Lebern gewonnen werden. Eine interessante Alternative bietet sich durch die Möglichkeit pluripotente Stammzellen zu Hepatozyten-ähnlichen Zellen zu differenzieren. Die bisher verfügbaren Differenzierungsprotokolle sind jedoch noch nicht in der Lage HLCs zu erzeugen, die alle Eigenschaften von primären Hepatozyten besitzen.Die hier erarbeiteten und evaluierten statistischen Methoden zur Modellierung der Differenzierungsprozesse tragen dazu bei, die Prozesse auf Gen-Ebene in Bezug auf verschiedene biologische Eigenschaften zu verstehen. Dieses Verständnis ist wichtig um die Differenzierungsprotokolle zu verbessern. Zur Methodenentwicklung stehen uns Genexpressionsdaten der verschiedenen Zelltypen im Differenzierungsprozess (Stammzellen - Endodermzellen - Hepatozyten-ähnliche Zellen) zur Verfügung, sowohl aus Bulk- als auch aus Einzelzell-Analysen.In dem Projekt werden für vier Fragestellungen statistische Lösungen erarbeitet. Für die Bewertung eines Differenzierungsprotokolls ist es essentiell den Abstand zweier Zelltypen im Differenzierungsprozess möglichst gut zu quantifizieren. Hierfür werden neue Abstandsmaße entwickelt, die sowohl Mittelwertunterschiede als auch differentielle Ko-Expression berücksichtigen. Gene mit ähnlichem Expressionsverlauf über den Differenzierungsprozess werden wahrscheinlich von ähnlichen Kontrollmechanismen gesteuert. Daher werden Clusterverfahren identifiziert, die Gene auf Basis der Verläufe in biologisch kohärente Gruppen einteilen. In Bulk-Analysen von in-vitro differenzierten Zellen können Eigenschaften von unterschiedlichen Zelltypen beobachtet werden. Die Einzelzell-Sequenzierung bietet die Möglichkeit mit Clusteranalysen zu untersuchen, ob das Differenzierungsprotokoll tatsächlich zu Zellengruppen mit unterschiedlichem Phänotyp führt. Hierfür werden wir analysieren, welche Clusterverfahren Subgruppen von Zellen finden, die sowohl statistisch klar voneinander abgegrenzt sind, als auch unterschiedlichen Gewebetypen zugeordnet werden können. Der Differenzierungspfad von Stammzellen zu Hepatozyten ist sowohl aus biologischer Sicht zur Interpretation der Zwischenstufen als auch aus statistischer Sicht zur Quantifizierung des Fortschritts von großer Bedeutung. Anders als moderne Methoden der Pseudotime-Analyse erlauben Progressionsmodelle eine direkte Modellierung der genetischen Ereignisse, die den Differenzierungsverlauf charakterisieren. Die Auswahl der Ereignisse und die Wahl des Modells werden in diesem Projekt mit statistischen Methoden optimiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen