Tipus de document
TesiVersió
Versió publicadaData de publicació
Llicència de publicació
Si us plau utilitzeu sempre aquest identificador per citar o enllaçar aquest document: https://hdl.handle.net/2445/231261
Charting human gene expression variation: from multi-tissue profiles to single-cell immune landscapes
Títol de la revista
Autors
Director/Tutor
Contribució addicional
ISSN de la revista
Títol del volum
Resum
[eng] People differ in how they age, how they respond to infections, and how likely they are to develop certain diseases. Understanding what drives these differences — called inter-individual variation— is a key challenge in biology and medicine. These differences arise from a mix of factors: our genes, our environment, and personal traits like age, sex, and ancestry. One way to study this variation is by looking at gene expression —the process where cells “read” DNA, copy it into RNA, and use that to make proteins. The full set of RNA molecules produced in a cell or tissue is known as the transcriptome, and it provides a snapshot of which genes are active, when, and where. Gene expression can be compared to following a recipe: genes give the instructions, and cells decide when and how to use them. By analyzing gene expression, we can see which genes are active in different tissues, how this activity changes over time, and how it relates to health or disease. Most studies of gene expression have used bulk tissue samples, which “blend” together many cell types. This makes it hard to see what is happening in specific cells. Recent advances in single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) now allow us to look at gene activity one cell at a time. This provides a much sharper view of how the body works and how it changes —especially during aging, when the balance of different cell types shifts significantly. Blood is a particularly useful tissue for this kind of research: it is easy to collect and contains many types of immune cells, which protect the body from infections and help repair damage. The immune system is constantly changing, particularly with age —a process known as immunosenescence. This includes shifts in white blood cells like T cells and B cells, which can weaken immune responses or increase inflammation. Importantly, people do not all age in the same way. Biological age —a measure of how the body is functioning at the cellular level—often differs from chronological age. And sex plays a major role, with men and women showing distinct patterns in immune aging and disease risk later in life. In this thesis, I explored how gene activity varies between people, focusing on aging and the immune system. Using RNA-seq data from hundreds of donors in the Genotype-Tissue Expression project, I studied 46 tissues to examine how age, sex, ancestry, and common clinical traits affect gene expression and tissue composition. We found that age had the strongest overall impact on gene activity, while ancestry strongly influenced how genes are spliced —how RNA messages are edited before being used by the cell. But because bulk RNA data mixes many cell types, we needed a more detailed view. To get that resolution, we measured telomere length —a well-established marker of biological aging— in six distinct types of blood cells using Flow-FISH technology in the Lifelines Deep cohort. This cell-level approach revealed aging signatures that were not visible with chronological age alone. We discovered that certain immune cell types, especially T cells, follow distinct biological aging trajectories, shaped by genetics, parental factors, and lifestyle. Building on this, we analyzed scRNA-seq data from more than one million immune cells from nearly one thousand individuals in the OneK1K cohort, creating the first single-cell map of immune aging (immunosenescence) in both sexes. We found that women showed stronger activation of cytotoxic and autoreactive immune programs as they aged, while men exhibited changes related to B cell clonal expansion and viral defense pathways. These differences help explain why aging affects men and women’s health in different ways. Recognizing the need for even larger and more diverse datasets to study these patterns, we helped launch the international sc-eQTLGen consortium. This collaboration brings together single-cell data from multiple cohorts around the world to study how genetic and demographic factors shape immune cell behavior at the single-cell level. As part of this effort, we also developed shared tools and workflows to harmonize data analysis across studies. Finally, I extended this work through additional projects: examining how aging unfolds differently in female reproductive tissues, how viral infections and ancestry reshape immune gene activity, and how antibodies reflect past immune challenges. In summary, this thesis combines bulk and single-cell transcriptomics to better understand how individual differences in gene activity emerge, especially in the context of aging and immunity. It introduces scalable frameworks to improve large-scale immunology studies and shows how genetics, demographic traits (such as age, sex, or ancestry), and environment shape immune cell behavior. These findings consolidate the immune system as a model for functional genomics —the study of how genes shape cellular behavior in real biological contexts— and help pave the way toward more personalized, age- and sex-aware approaches to human health.
[cat] Les persones difereixen en com envelleixen, com responen a les infeccions i quines probabilitats tenen de desenvolupar determinades malalties. Comprendre què motiva aquestes diferències, denominades «variació interindividual», és un repte clau en biologia i medicina. Aquestes diferències sorgeixen d'una combinació de factors: els nostres gens, el nostre entorn i trets personals com l'edat, el sexe i l'ascendència. Una manera d'estudiar aquesta variació és observant l'expressió gènica, el procés pel qual les cèl·lules «llegeixen» l'ADN, el copien en ARN i finalment, l’utilitzen per a produir proteïnes. El conjunt complet de molècules d'ARN produïdes en una cèl·lula o teixit es coneix com a transcriptoma i proporciona una instantània de quins gens estan actius, quan i on. L'expressió gènica pot comparar-se amb seguir una recepta: els gens donen les instruccions i les cèl·lules decideixen quan i com utilitzar-les. En analitzar l'expressió gènica, podem veure quins gens estan actius en diferents teixits, com canvia aquesta activitat amb el temps i com es relaciona amb la salut o la malaltia. La majoria dels estudis sobre l'expressió gènica han utilitzat mostres de teixit a «granel», que «barregen» molts tipus de cèl·lules. Això dificulta veure el que succeeix en cèl·lules específiques. Els recents avanços en la seqüenciació d'ARN unicel·lular (scRNA-seq) ens permeten ara estudiar l'activitat gènica cèl·lula per cèl·lula. Això proporciona una visió molt més nítida de com funciona el cos i com canvia, especialment durant l'envelliment, quan l'equilibri entre els diferents tipus de cèl·lules canvia significativament. La sang és un teixit particularment útil per a aquesta mena de recerca: és fàcil d'extreure i conté molts tipus de cèl·lules immunitàries, que protegeixen el cos de les infeccions i ajuden a reparar els danys. El sistema immunitari canvia constantment, sobretot amb l'edat, un procés conegut com a immunosenescència. Això inclou canvis en els glòbuls blancs, com les cèl·lules T i les cèl·lules B, que poden afeblir les respostes immunitàries o augmentar la inflamació. És important destacar que no totes les persones envelleixen de la mateixa manera. L'edat biològica, una mesura del funcionament del cos a nivell cel·lular, sovint difereix de l'edat cronològica. I el sexe exerceix un paper important, ja que els homes i les dones mostren patrons distints en l'envelliment immunitari i el risc de malalties en etapes posteriors de la vida. En aquesta tesi, he explorat com varia l'activitat genètica entre les persones, centrant-me en l'envelliment i el sistema immunitari. Utilitzant dades de seqüenciació d'ARN de centenars de donants del projecte Genotype-Tissue Expression, he estudiat 46 teixits per a examinar com l'edat, el sexe, l'ascendència i els trets clínics comuns afecten l'expressió gènica i la composició dels teixits. Vam descobrir que l'edat té el major impacte global en l'activitat genètica, mentre que l'ascendència influeix considerablement en com «s'empalmen» els gens, és a dir, com s'editen els missatges d'ARN abans que la cèl·lula els utilitzi. No obstant això, atès que les dades d'ARN a «granel» barregen molts tipus de cèl·lules, necessitàvem una visió més detallada. Per a obtenir aquesta resolució, vam mesurem la longitud dels telòmers, un marcador ben establert de l'envelliment biològic, en sis tipus distints de cèl·lules sanguínies utilitzant la tecnologia Flow-FISH en la cohort Lifelines Deep. Aquest enfocament a nivell cel·lular va revelar signes d'envelliment que no eren visibles tant sols amb l'edat cronològica. Vam descobrir que uns certs tipus de cèl·lules immunitàries, especialment les cèl·lules T, segueixen trajectòries d'envelliment biològic diferents, determinades per la genètica, els factors parentals i l'estil de vida. A partir d'aquí, vam analitzar les dades de seqüenciació d'ARN unicel·lular (scRNA-seq) de més d'un milió de cèl·lules immunitàries de gairebé mil individus de la cohort OneK1K, creant el primer mapa unicel·lular de l'envelliment immunitari (immunosenescència) en tots dos sexes. Vam descobrim que les dones mostraven una major activació dels programes immunitaris citotòxics i autoreactius a mesura que envellien, mentre que els homes presentaven canvis relacionats amb l'expansió clonal de les cèl·lules B i les vies de defensa viral. Aquestes diferències ajuden a explicar per què l'envelliment afecta de manera diferent de la salut d'homes i dones. Reconeixent la necessitat de disposar de conjunts de dades encara més grans i diversos per a estudiar aquests patrons, vam ajudar a posar en marxa el consorci internacional sc-eQTLGen. Aquesta col·laboració reuneix dades unicel·lulars de múltiples cohorts de tot el món per a estudiar com els factors genètics i demogràfics determinen el comportament de les cèl·lules immunològiques a nivell unicel·lular. Com a part d'aquest esforç, també hem desenvolupat eines i estratègies de treball per a harmonitzar l'anàlisi de dades entre els diferents estudis. Finalment, vaig ampliar aquest treball amb projectes addicionals: examinar com l'envelliment es desenvolupa de manera diferent en els teixits reproductius femenins, com les infeccions virals i l'ascendència remodelen l'activitat dels gens immunològics i com els anticossos reflecteixen els desafiaments immunològics del passat. En resum, aquesta tesi combina la transcriptòmica massiva i unicel·lular per a comprendre millor com sorgeixen les diferències individuals en l'activitat gènica, especialment en el context de l'envelliment i la immunitat. Introdueix marcs escalables per a millorar els estudis d'immunologia a gran escala i mostra com la genètica, els trets demogràfics (com l'edat, el sexe o l'ascendència) i l'entorn determinen el comportament de les cèl·lules immunitàries. Aquests descobriments consoliden el sistema immunitari com a model per a la genòmica funcional —l'estudi de com els gens determinen el comportament cel·lular en contextos biològics reals— i ajuden a aplanar el camí cap a enfocaments més personalitzats i que tinguin en compte l'edat i el sexe en la salut humana.
[cat] Les persones difereixen en com envelleixen, com responen a les infeccions i quines probabilitats tenen de desenvolupar determinades malalties. Comprendre què motiva aquestes diferències, denominades «variació interindividual», és un repte clau en biologia i medicina. Aquestes diferències sorgeixen d'una combinació de factors: els nostres gens, el nostre entorn i trets personals com l'edat, el sexe i l'ascendència. Una manera d'estudiar aquesta variació és observant l'expressió gènica, el procés pel qual les cèl·lules «llegeixen» l'ADN, el copien en ARN i finalment, l’utilitzen per a produir proteïnes. El conjunt complet de molècules d'ARN produïdes en una cèl·lula o teixit es coneix com a transcriptoma i proporciona una instantània de quins gens estan actius, quan i on. L'expressió gènica pot comparar-se amb seguir una recepta: els gens donen les instruccions i les cèl·lules decideixen quan i com utilitzar-les. En analitzar l'expressió gènica, podem veure quins gens estan actius en diferents teixits, com canvia aquesta activitat amb el temps i com es relaciona amb la salut o la malaltia. La majoria dels estudis sobre l'expressió gènica han utilitzat mostres de teixit a «granel», que «barregen» molts tipus de cèl·lules. Això dificulta veure el que succeeix en cèl·lules específiques. Els recents avanços en la seqüenciació d'ARN unicel·lular (scRNA-seq) ens permeten ara estudiar l'activitat gènica cèl·lula per cèl·lula. Això proporciona una visió molt més nítida de com funciona el cos i com canvia, especialment durant l'envelliment, quan l'equilibri entre els diferents tipus de cèl·lules canvia significativament. La sang és un teixit particularment útil per a aquesta mena de recerca: és fàcil d'extreure i conté molts tipus de cèl·lules immunitàries, que protegeixen el cos de les infeccions i ajuden a reparar els danys. El sistema immunitari canvia constantment, sobretot amb l'edat, un procés conegut com a immunosenescència. Això inclou canvis en els glòbuls blancs, com les cèl·lules T i les cèl·lules B, que poden afeblir les respostes immunitàries o augmentar la inflamació. És important destacar que no totes les persones envelleixen de la mateixa manera. L'edat biològica, una mesura del funcionament del cos a nivell cel·lular, sovint difereix de l'edat cronològica. I el sexe exerceix un paper important, ja que els homes i les dones mostren patrons distints en l'envelliment immunitari i el risc de malalties en etapes posteriors de la vida. En aquesta tesi, he explorat com varia l'activitat genètica entre les persones, centrant-me en l'envelliment i el sistema immunitari. Utilitzant dades de seqüenciació d'ARN de centenars de donants del projecte Genotype-Tissue Expression, he estudiat 46 teixits per a examinar com l'edat, el sexe, l'ascendència i els trets clínics comuns afecten l'expressió gènica i la composició dels teixits. Vam descobrir que l'edat té el major impacte global en l'activitat genètica, mentre que l'ascendència influeix considerablement en com «s'empalmen» els gens, és a dir, com s'editen els missatges d'ARN abans que la cèl·lula els utilitzi. No obstant això, atès que les dades d'ARN a «granel» barregen molts tipus de cèl·lules, necessitàvem una visió més detallada. Per a obtenir aquesta resolució, vam mesurem la longitud dels telòmers, un marcador ben establert de l'envelliment biològic, en sis tipus distints de cèl·lules sanguínies utilitzant la tecnologia Flow-FISH en la cohort Lifelines Deep. Aquest enfocament a nivell cel·lular va revelar signes d'envelliment que no eren visibles tant sols amb l'edat cronològica. Vam descobrir que uns certs tipus de cèl·lules immunitàries, especialment les cèl·lules T, segueixen trajectòries d'envelliment biològic diferents, determinades per la genètica, els factors parentals i l'estil de vida. A partir d'aquí, vam analitzar les dades de seqüenciació d'ARN unicel·lular (scRNA-seq) de més d'un milió de cèl·lules immunitàries de gairebé mil individus de la cohort OneK1K, creant el primer mapa unicel·lular de l'envelliment immunitari (immunosenescència) en tots dos sexes. Vam descobrim que les dones mostraven una major activació dels programes immunitaris citotòxics i autoreactius a mesura que envellien, mentre que els homes presentaven canvis relacionats amb l'expansió clonal de les cèl·lules B i les vies de defensa viral. Aquestes diferències ajuden a explicar per què l'envelliment afecta de manera diferent de la salut d'homes i dones. Reconeixent la necessitat de disposar de conjunts de dades encara més grans i diversos per a estudiar aquests patrons, vam ajudar a posar en marxa el consorci internacional sc-eQTLGen. Aquesta col·laboració reuneix dades unicel·lulars de múltiples cohorts de tot el món per a estudiar com els factors genètics i demogràfics determinen el comportament de les cèl·lules immunològiques a nivell unicel·lular. Com a part d'aquest esforç, també hem desenvolupat eines i estratègies de treball per a harmonitzar l'anàlisi de dades entre els diferents estudis. Finalment, vaig ampliar aquest treball amb projectes addicionals: examinar com l'envelliment es desenvolupa de manera diferent en els teixits reproductius femenins, com les infeccions virals i l'ascendència remodelen l'activitat dels gens immunològics i com els anticossos reflecteixen els desafiaments immunològics del passat. En resum, aquesta tesi combina la transcriptòmica massiva i unicel·lular per a comprendre millor com sorgeixen les diferències individuals en l'activitat gènica, especialment en el context de l'envelliment i la immunitat. Introdueix marcs escalables per a millorar els estudis d'immunologia a gran escala i mostra com la genètica, els trets demogràfics (com l'edat, el sexe o l'ascendència) i l'entorn determinen el comportament de les cèl·lules immunitàries. Aquests descobriments consoliden el sistema immunitari com a model per a la genòmica funcional —l'estudi de com els gens determinen el comportament cel·lular en contextos biològics reals— i ajuden a aplanar el camí cap a enfocaments més personalitzats i que tinguin en compte l'edat i el sexe en la salut humana.
Recurs relacionat
Citació
Col·leccions
Citació
RIPOLL CLADELLAS, Aida. Charting human gene expression variation: from multi-tissue profiles to single-cell immune landscapes. [consulted: 6 of October of 2026]. Available at: https://hdl.handle.net/2445/231261