Marina Leer

• The musculoskeletal system provides support and enables movement to the body, and its deterioration is a crucial aspect of age-related functional decline. Mesenchymal stromal cells (MSCs) play an important role in musculoskeletal homeostasis due to their broad differentiation potentials and their ability to support osteogenic and myogenic tissue maintenance and regeneration. In the bone, MSCs differentiate either into osteochondrogenic progenitors to form osteocytes and chondrocytes, or increasingly with age into adipogenic progenitors which give rise to bone-resident adipocytes. In skeletal muscle, during healthy regeneration MSCs provide regulatory signals that activate local, tissue-specific stem cells, known as satellite cells, which regenerate contractile myofibres. This process involves a significant cross-talk to immune cells stemming from both lymphoid and myeloid lineages. During ageing, muscle-resident MSCs undergo increased adipogenic lineage commitment, causing niche changes that contribute to fatty infiltration inThe musculoskeletal system provides support and enables movement to the body, and its deterioration is a crucial aspect of age-related functional decline. Mesenchymal stromal cells (MSCs) play an important role in musculoskeletal homeostasis due to their broad differentiation potentials and their ability to support osteogenic and myogenic tissue maintenance and regeneration. In the bone, MSCs differentiate either into osteochondrogenic progenitors to form osteocytes and chondrocytes, or increasingly with age into adipogenic progenitors which give rise to bone-resident adipocytes. In skeletal muscle, during healthy regeneration MSCs provide regulatory signals that activate local, tissue-specific stem cells, known as satellite cells, which regenerate contractile myofibres. This process involves a significant cross-talk to immune cells stemming from both lymphoid and myeloid lineages. During ageing, muscle-resident MSCs undergo increased adipogenic lineage commitment, causing niche changes that contribute to fatty infiltration in muscles. These shifts in cell populations in bone lead to the loss of osteogenic cells and subsequently osteoporosis, or in muscle to impaired regeneration and to the development of sarcopenia. However, the signals that drive transition of MSCs into their respective cellular fates remain elusive. This thesis aims to elucidate the transcriptional shifts modulating cell states and cell types in musculoskeletal MSC fate determination. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) was used to characterise cell type-specific transcript regulation. State-of-the-art bioinformatics tools were combined with different analytical platforms that include both droplet-based scRNA-seq for large heterogeneous populations, and microfluidics-based scRNA-seq to assess small, rare subpopulations. For each platform, distinct computational pipelines were established including filtering steps to exclude low-quality cells, and data visualisation was performed by dimensionality reduction. Downstream analysis included clustering, cell type annotation, and differential gene expression to investigate transcriptional states in defined cell types during ageing and injury in the muscle and bone. Finally, a novel tool to assess publication activities in defined areas of research for the identified marker genes was developed. The results in the bone indicate that ageing MSCs increasingly commit towards an adipogenic fate at the expense of osteogenic specialisation. The data also suggests that significant cell population shifts of MSC-type fibro-adipogenic progenitors during muscle ageing underlie the pathologies observed in homeostatic and post-injury regenerative conditions. High-throughput visualisation of publication activity for candidate genes enabled more effective biological evaluation of scRNA-seq data. These results expose critical age-related changes in the stem cell niches of skeletal muscle and bone, highlight their respective sensitivity to nutrition and pathology, and elucidate novel factors that modulate stem cell-based regeneration. Targeting these processes might improve musculoskeletal health in the context of ageing and prevent the negative effects of pathological lineage determination.…
• Der Stütz- und Bewegungsapparat durchläuft eine altersbedingte gesundheitliche Verschlechterung, welche mit voranschreitendem Funktionsverlust einhergeht. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) spielen aufgrund ihres breiten Differenzierungspotenzials und ihrer Fähigkeit, myogene bzw. osteogene Regenerationsprozesse zu unterstützen, eine wichtige Rolle in der muskuloskelettalen Homöostase. Im Knochen differenzieren MSCs entweder zu osteochondrogenen Vorläufern, um Knochen- bzw. Knorpelzellen zu bilden. Oder mit zunehmendem Alter werden vermehrt adipogene Vorläufer gebildet, aus denen Knochen-Fettzellen entstehen. Im Skelettmuskel sezernieren MSCs während der Muskelregeneration beispielsweise regulatorische Signale, die lokale, gewebespezifische Stammzellen, sogenannte Satellitenzellen, aktivieren, und diese daraufhin die kontraktilen Muskelfasern regenerieren. Dieser Prozess umfasst bedeutsame Wechselwirkung von Stammzellen mit Immunzellen sowohl der lymphoiden als auch aus myeloischen Abstammungslinien. Während des Alterns erhaltenDer Stütz- und Bewegungsapparat durchläuft eine altersbedingte gesundheitliche Verschlechterung, welche mit voranschreitendem Funktionsverlust einhergeht. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) spielen aufgrund ihres breiten Differenzierungspotenzials und ihrer Fähigkeit, myogene bzw. osteogene Regenerationsprozesse zu unterstützen, eine wichtige Rolle in der muskuloskelettalen Homöostase. Im Knochen differenzieren MSCs entweder zu osteochondrogenen Vorläufern, um Knochen- bzw. Knorpelzellen zu bilden. Oder mit zunehmendem Alter werden vermehrt adipogene Vorläufer gebildet, aus denen Knochen-Fettzellen entstehen. Im Skelettmuskel sezernieren MSCs während der Muskelregeneration beispielsweise regulatorische Signale, die lokale, gewebespezifische Stammzellen, sogenannte Satellitenzellen, aktivieren, und diese daraufhin die kontraktilen Muskelfasern regenerieren. Dieser Prozess umfasst bedeutsame Wechselwirkung von Stammzellen mit Immunzellen sowohl der lymphoiden als auch aus myeloischen Abstammungslinien. Während des Alterns erhalten muskelresidente MSCs jedoch ein erhöhtes adipogenenes Potential, welches Nischenveränderung verursacht und damit zu einer Fettinfiltration in den Muskeln beitragen kann. Die Verschiebungen der Zellpopulationen verursachen einerseits den Verlust von osteogenen Vorläufern und fördern degenerative Prozesse im Knochengewebe, die Osteoporose zur Folge haben, oder beeinträchtigen die Regeneration im Muskel sowie dessen Funktionalität, und können damit zur altersbedingten Sarkopenie beitragen. MSCs durchlaufen einen Entscheidungsprozess um final zu differenzieren, der jedoch bislang nur unzureichend charakterisiert ist. Um diesen Aspekt zu beleuchten, untersucht diese Dissertation die diesem Prozess zugrundeliegende Veränderung der Transkriptionsprofile, welche die Zellzustände und Zelltypen bei der Differenzierung von muskuloskelettalen MSCs steuern. Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-Seq) wurde verwendet, um die zelltyp-spezifische Transkriptionsregulation zu charakterisieren. Moderne bioinformatische Analyse-Tools und -Plattformen wurden kombiniert, die sowohl droplet-basierte (für große heterogene Populationen) als auch mikrofluidik-basierte scRNA-seq (für kleine, seltene Subpopulationen), umfassten. Es wurden plattform-spezifische Datenverarbeitungs-Pipelines generiert, einschließlich des Herausfilterns von Zellen geringer Qualität und Datenvisualisierung mit verschiedenen Dimensionsreduktions-Methoden. Die anschließende Analyse umfasste Clustering von Subpopulationen, Zelltyp-Annotation und differenzielle Genexpression, um die Transkriptionszustände in den definierten Zelltypen während des Alterns und bei Regeneration im Muskel und Knochen zu untersuchen. Abschließend wurde eine Software zur Bewertung der Publikationsaktivitäten in definierten Forschungsgebieten für die identifizierten Markergene entwickelt. Die Ergebnisse deuten im Knochen darauf hin, dass alternde MSCs auf Kosten der osteogenen Spezialisierung zunehmend adipogener werden. Weiterhin deuten unsere Daten darauf hin, dass im alternden Muskel eine signifikante Zellpopulationsanreicherung von MSCs zu fibro-adipogenen Vorläuferzellen stattfindet, welche den Pathologien in den Prozessen der Homöostase und Muskelregeneration nach Verletzung unterliegen. Die Visualisierung der Publikationsaktivität für Kandidatengene ermöglicht eine effektivere biologische Bewertung von scRNA-seq-Daten. Diese Ergebnisse offenbaren kritische altersbedingte Veränderungen innerhalb der Stammzellnischen von Skelettmuskeln und Knochen, und identifizieren neue Faktoren, die an stammzell-basierten Regeneration beteiligt sind. Diese Prozesse gezielt zu beeinflussen, könnte die muskuloskelettale Gesundheit im Alter verbessern und negative Effekte einer pathologischen Differenzierung verhindern.…