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Promiscuous Gene Expression in Thymic Medullary Epithelial Cells : Scope, Phylogenetic Conservation and Regulation at the Single Cell Level

Pinto, Sheena Dominique

German Title: Promiske Genexpression in Medullären Thymusepithelzellen : Evolutionäre Konservierung und Regulation auf Einzelzellebene

PDF, English
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In the thymus a specific subset of thymic stromal cells - medullary thymic epithelial cells (mTECs) - express a highly diverse set of tissue-restricted antigens (TRAs) representing essentially all tissues of the body, which is known as promiscuous gene expression (pGE). This allows self-antigens, which otherwise are expressed in a spatially or temporally restricted manner to become continuously accessible to developing T-cells thus, rendering them tolerant to most self-antigens. The scope of central tolerance is to a large extent dictated by this pool of promiscuously expressed genes. Lack of a single TRA can result in spontaneous organ-specific autoimmunity. Therefore, it is important to define the scope of pGE and parameters/mechanisms that regulate this gene pool. Promiscuously expressed genes display two prominent features: they are highly clustered in the genome and show a preference for TRAs. To link these features we focused on studying genes which are up-regulated in mature mTECs. The analysis was performed in mouse, rat and human in order to assess evolutionary conservation of pGE. Our analysis proceeded from the bioinformatic definition of TRA clusters, gene clustering and homology mapping via gene expression analysis using whole genome arrays to the in depth analysis of selected TRA clusters by RT-PCR at the population level. The mTEC compartment represents a mosaic of clonally derived mTEC clusters undergoing continuous renewal, whereby the sets of genes expressed in single mTECs ultimately add up to a complete representation of the promiscuous gene pool at the population level. Hence, we wanted to elucidate what dictates pGE at the single cell level, i.e. whether it was random or subject to rules of co-expression. We observed that TRAs per se are clustered in the genome in all three species irrespective of structural relatedness or antigenic properties. Most of the clusters are localized in syntenic regions. In the thymus, the promiscuously expressed genes are enriched in TRAs that are partitioned into clusters, again conserved between species. These clusters harbor both TRAs and non-TRAs that are interspersed among each other. TRAs are preferentially regulated over non- TRAs during mTEC differentiation. Moreover, genes within a particular gene cluster are subject to partial co-regulation. Based on these data, we propose these clusters to be the “operational genomic unit” of pGE in the thymus. Single cell studies of a mTEC subpopulation expressing a particular antigen revealed a deterministic component in the regulation of pGE. Co-expression groups in single cells not only defined intra-chromosomal but also inter-chromosomal (e.g. chromosome 1 and 19) gene coregulation. Strikingly, these co-expression patterns correlated with in situ co-localization of the respective chromosomal domains upon mTEC maturation as analyzed by fluorescence in situ hybridization. Taken together, our data show that pGE is highly conserved between species, maps to gene clusters and is governed by certain co-expression rules at the single cell level.

Translation of abstract (German)

Medulläre Thymusepithelzellen (mTEZ), ein spezieller Zelltyp des Thymus, exprimieren ein höchst diverses Repertoire an gewebespezifischen Antigenen (tissue restricted antigens, TRAs), welche (vermutlich) jedes Gewebe des Körpers repräsentieren. Dieses Phänomen ist als promiske Genexpression (pGE) bekannt. PGE ermöglicht es, Selbst-Antigene, welche sonst nur in peripheren Geweben örtlich und zeitlich begrenzt exprimiert werden, den T-Zellen während ihrer Entwicklung im Thymus permanent zugänglich zu machen und dadurch Toleranzinduktion gegenüber diesen TRAs zu gewährleisten. Selbst das Fehlen eines einzigen Selbstantigens im Thymus kann zu einer spontanen organspezifischen Auto-immunantwort führen. Daher ist es wichtig, den Umfang des im Thymus exprimierten Genpools im Detail zu bestimmen und die Regulation dieser Genexpression zu verstehen. Promisk exprimierte Gene zeigen zwei Charakteristika: Zum einen liegen sie im Genom größtenteils in Clustern vor, zum anderen sind die meisten von ihnen TRAs. Um eine mögliche Verbindung zwischen diesen Eigenschaften herzustellen, wurden Gene untersucht, deren Expression in reifen mTEZ im Vergleich zu unreifen mTEZ hochreguliert ist. Die Expression dieser Gene wurde in Maus, Ratte und Mensch vergleichend analysiert, um das Ausmaß der evolutionären Konservierung von pGE zu bestimmen. Die Analyse umfasste die bioinformatische Definition von TRA- und Gen-Clustern, das Erfassen von Homologien mittels genomweiter Genexpressionsanalysen und die detaillierte Untersuchung ausgewählter TRACluster mittels RT-PCR auf der Ebene von Zellpopulationen. Diese Analysen ergaben, dass TRAs in allen untersuchten Spezies im Genom als Cluster organisiert sind unabhängig von ihren Funktionen und Struktur. Die meisten Cluster, die sowohl TRAs als auch Nicht-TRA beinhalten, liegen in syntenischen Regionen. Gene eines einzelnen Clusters war teilweise co-reguliert. TRAs in Clustern waren im Thymus häufiger exprimiert als Nicht-TRAs. Wir postulieren daher, dass diese Cluster die operationelle genomische Einheit darstellen, die der pGE im Thymus zugrunde liegt. Das mTEZ-Kompartiment setzt sich aus einem Mosaik von mTEZ-Klonen zusammen, die sich ständig erneuern. Da die Gesamtheit promisk exprimierter Gene in der mTEZ-Population sich aus der Summe der pGE der einzelnen mTEZ-Klone zusammensetzt, ist es notwendig, die Regulation von pGE auf Einzelzellebene zu verstehen: Ist pGE auf Einzelzellebene ein völlig zufälliger Prozess oder werden Gene co-reguliert? Dazu wurden zusätzlich Analysen in Einzelzellen durchgeführt. Diese zeigten, dass Gengruppen in einzelnen Zellen entweder auf demselben oder auch auf unterschiedlichen Chromosomen co-reguliert werden. Dabei colokalisierten die Genloci von gemeinsam regulierten Gene in situ, wie mittels FISH Analyse gezeigt werden konnte. Wir schließen aus diesen Ergebnissen, dass pGE neben einer stochastischen auch eine deterministische Komponente beinhaltet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kyewski, Prof. Dr. Bruno
Date of thesis defense: 10 May 2010
Date Deposited: 18 May 2010 15:27
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Genexpression, Thymus
Uncontrolled Keywords: promiske Genexpression , mTEZpromiscuous gene expression , mTECs , Thymus
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