PIWI Proteine sind die zentralen Darsteller eines RNA-basierten Mechanismus, der die Mobilisierung transponierbarer Elemente im Genom unterdrückt, um genetische Stabilität zu gewährleisten. Demzufolge sind PIWI-Proteine für die langfristige Erhaltung verschiedener Stamzellpopulationen notwendig. Beispiele dafür sind verschiedene adulte somatische Stammzellen in Drosophila und die Stammzellen der Keimbahn aller bisher untersuchten Tierarten. Bei Säugetieren sind die beschriebenen Funktionen von PIWI Proteinen strikt auf die männliche Keimbahn beschränkt. Trotz Andeutungen auf eine Rolle von PIWI-Proteinen in somatischen Zellen von Säugetieren, wurde eine Funktion bisher nicht beschrieben. Ähnlich wie Stammzellen, können sich Makrophagen in verschiedenen Geweben selbst-erneuern, um ihre Populationen zu erhalten. Diese Selbsterneuerung beruht auf der geringen Expression der Transkriptionsfaktoren MafB und cMaf, was die Aktivierung eines stammzell-ähnliches Gen-Netzwerk, das die Proliferation vorantreibt. Makrophagen mit einer genetischen Deletion von MafB und cMaf (MafDKO-Makrophagen) oder Makrophagen mit natürlich niedriger Expression von MafB oder cMaf, wie z.B. alveoläre Makrophagen, weisen dementsprechend eine erweiterte Kapazität zur Selbsterneuerung auf. Wie haben festgestellt, dass eine kurze Isoform des Maus- Gens Piwil2, die wir ‚Piwito’ genannt haben, in MafDKO und alveolären Makrophagen exprimiert wird. Die Expression von Piwito ist für die normale Selbsterneuerung der untersuchten Makrophagen notwendig, wie die in vitro und in vivo Untersuchungen darlegen. Eine Abwesenheit von Piwito in alveolären Makrophagen führt zu einer Verkürzung derer Lebenspanne in Kultur. Außerdem beweisen wir, dass Piwito von MafB in nicht-proliferierenden Makrophagen gebunden und unterdrückt wird. Diese Studie ist somit der erste Bericht über eine somatische Funktion von PIWI-Proteinen in nicht transformierten Zellen von Säugetieren. / PIWI proteins are the main players of an RNA-based gene regulatory machinery that represses transposable elements in the genome to prevent their mobilization and ensure genetic stability. PIWI proteins have thus highly conserved stem-cell functions. They are indispensable for the long-term maintenance of the somatic stem cells that drive regeneration in invertebrates, of various adult somatic stem cells in Drosophila and, most prominently, of the germline of all species studied so far. In mammals, their described functions are strictly restricted to the male germline. Despite suggestive observations for a role of PIWI proteins in the mammalian soma, robust evidence remains absent. Similar to stem cells, tissue macrophages can locally self-renew to maintain their populations. Mechanistically, their self-renewal relies on low expression of the macrophage transcription factors MafB and cMaf, since it allows the induction of a stem cell-like network of genes that drives proliferation. Macrophages with a genetic deletion of MafB and cMaf (MafDKO macrophages) acquire therefore the capacity to self-renew, defined by an indefinite growth in culture that does not comprise their identity and does not involve cancerogenic transformation. Similarly, macrophages with naturally low levels of MafB or cMaf, such as alveolar macrophages, display an extended self-renewal capacity in vivo and in vitro. We have found that a short isoform of the murine Piwil2 gene, that we named ‘Piwito’, is expressed in MafDKO and alveolar macrophages. Piwito expression is necessary for the unaltered self-renewal of macrophages, as shown by in vitro and in vivo assays. To highlight is the fact that Piwito deficiency limits the extended lifespan of alveolar macrophages in culture. Additionally, we show that Piwito is bound and repressed by MafB in quiescent macrophages. This study thus represents the first report of a somatic function for mammalian PIWI proteins in non-transformed cells.

Intrazelluläre Protein- und RNA-Lokalisation ist ein lebenswichtiger molekularer Mechanismus. Ihm unterliegen sowohl die äußere Gestaltung der Zellform, Zellagilität, zelluläre Differenzierung sowie die intra- sowie interzelluläre Kommunikation. Diverse Krankheiten werden mit Fehlfunktionen des intrazellulären Molekültransportes assoziiert und es existieren unzählige Beispiele für bekannte Wege des intrazellulären Protein- und RNA-Transportes. Allerdings ist die globale Komposition lokaler Protein- und RNA-Reservoirs bisher kaum wissenschaftlich erforscht worden. In dieser Studie beschreibe ich die Protein- sowie RNA-Kompositionen subzellulärer Fraktionen zweier neuronaler Zelltypen. Die Neuriten und Somata von Neuroblastoma-Zellen (N1E-115) und Ascl1 induzierten Neuronen (beides Mauszellen) wurden mechanisch voneinander separiert und mittels RNA-Sequenzierung und Massenspektrometrie auf ihre Bestandteile untersucht. Die Verteilung von mRNAs korreliert signifikant mit der Verteilung der entsprechenden Proteine in Ascl1-iNs während in der Neuroblastoma Zelllinie N1E-115 kein solcher Trend nachgewiesen werden konnte. Der Vergleich zu Datensätzen von anderen Zellsystemen und Methoden zeigt, dass das lokale Proteom sowie das lokale Transkriptome und Translatome stark Zelltyp spezifisch ist. Um den Einfluss lokaler Proteinbiosynthese auf die Komposition subzellulärer Proteinpools zu erheben, habe ich die Lokalisation neu synthetisierter Proteine untersucht. Es scheint, als sei die RNA-Lokalisation und lokale Translation von hoher Relevanz für die Protein-Lokalisation in diesen stark polarisierten Zellsystemen. Des Weiteren stelle ich eine Methode vor, um de novo „zip codes“ in diesen neuronalen Zellsystemen zu identifizieren. Diese könnte ein elementar wichtiger Schritt sein, um Fehlfunktionen im interzellulären Molekültransport zu verstehen. / Intracellular protein and RNA localization is one of the mayor players in the formation of cell shape, enabling cell agility, cellular differentiation and cell signaling. Various diseases are associated with malfunctions of intracellular molecule transport. There are many known pathways of how and why proteins and RNAs are transported within the cell and where they are located, though there is not much known about the global distribution of proteins and RNAs within the cell. In this study I apply a subcellular fractionation method coupled to multiple omics approaches to investigate the global distribution of mRNAs, noncoding RNAs and proteins in neuronal cells. Neurites and soma from mouse neuroblastoma cells (N1E-115) as well as from Ascl1 induced neurons (Ascl1-iNs) were isolated and the composition of the spatial proteome and transcriptome was examined. The localization of mRNAs correlates significantly with the localization of their corresponding protein products in Ascl1-iNs whereas it does not in the mouse neuroblastoma cell line N1E-115. Comparing these datasets with recently published data of other cell lines and methods it is clear, that the local proteome, transcriptome and translatome of neuronal cells is highly cell type specific. To investigate how spatial protein pools are established I analyzed local pools of newly synthesized proteins revealing that many proteins are synthesized on the spot. RNA localization therefore plays a crucial role in generating local protein pools in these highly polarized cell systems. Additionally, I propose a method to identify on a global scale de novo “zip codes” in these cell systems which would be a great step towards understanding malfunctions in molecule transport.

Die Keimstreifverlängerung der Malacostraca wird durch ein festgelegtes Zellteilungsmuster der posterioren Teilungszone erreicht. Dort geben anfangs in einem Halbkreis angeordnete Ektoteloblasten ihre Tochterzellen nach anterior ab, welche das für malakostrake Krebse typische Gittermuster ausbilden. Dabei spielen die Ektoteloblasten eine besondere Rolle, da sie das Zellmaterial für die anschließende Segmentierung produzieren. Im Gegensatz zu Vertretern basal abzweigender Taxa der Malacostraca, bei denen sich der Halbkreis der Ektoteloblasten aus zwei Halbreihen oder aus einem Zellring bildet, sind bei den Isopoden, zu denen auch die Kellerassel Porcellio scaber zählt, die Ektoteloblasten von Beginn an in einem Halbkreis angeordnet. Das Teilungsmuster bei der Verlängerung des Keimstreifens wurde bereits bei vielen Vertretern der Malacostraca, einschließlich P. scaber, ausführlich untersucht. Daten über die Bildung der Ektoteloblasten und den Beginn ihrer Teilungsaktivität fehlen dagegen weitestgehend. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher mit Hilfe von Zellmarkierungsversuchen mit Vitalfarbstoffen (wie z.B. Alexa Fluor 488 und Tetramethylrhodamin) und der 4D-Mikroskopie die Bildung der Keimscheibe, die Gastrulation und der Beginn der Keimstreifverlängerung bei P. scaber untersucht. Ein besonderer Fokus lag dabei auf den Ektoteloblasten und den umliegenden Zellen, deren Zelllinien untersucht wurden. Wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden konnte, sind (i) die Ektoteloblasten bereits vor Beginn der Gastrulation in einem äußeren Halbkreis formiert, (ii) zwei Zellen, die Teile der späteren Mittellinie bilden, bis kurz vor Beginn der Teilungstätigkeit der Ektoteloblasten in deren Reihe eingereiht, (iii) die Ektoteloblasten erst mit der Fertigstellung der ersten e-Reihe als große, verlängerte Zellen erkennbar und es ist (iv) ein zweiter Halbkreis vorhanden, der sich ausschließlich in posteriore Richtung teilt und dadurch den Gastrulationsporus schließt. / In malacostracan crustaceans, the elongation of the germ band is realized by an invariant cell division pattern of the posterior growth zone. The ectoteloblasts are arranged in a semicircle and divide in anterior direction in a fixed pattern. Their progeny are arranged in the typical grid pattern of malacostracan crustaceans and provide the cell material for later segmentation processes. In contrast to other malacostracans, where the ectoteloblast appear in two half rows or a cell ring, the ectoteloblasts are arranged in a semicircle in isopods from the outset. The cell division pattern during elongation of the germ band is well studied in many malacostracan species including the isopod Porcellio scaber. However, details about formation of the ectoteloblasts and beginning of their cell division activity are missing. Therefore, the aggregation of the germ disc, the gastrulation, and the beginning of the elongation of the germ band in Porcellio scaber were examined using vital dyes (e.g. Alexa Fluor 488 and Tetramethylrhodamine) in cell labeling experiments combined with 4Dmicroscopy. The formation and cell-lineages of the ectoteloblasts and their surrounding cells were analyzed. The results suggest that (i) the ectoteloblasts are arranged in a semicircle before gastrulation starts, (ii) two cells forming part of the arising midline are lined up with the ectoteloblasts until they start their cell division activity in a predetermined pattern, (iii) the differentiation of ectoteloblasts is discernable after formation of the first e-row when they appear as big and elongated cells and (iv) a second semicircle exists whose cells divide in posterior direction and, consequently, enclose the gastrulation pore.

Dendritische Defekte vermitteln Störungen der Erregbarkeit, Modulation und Plastizität von Neuronen, die zur Entwicklung neurodegenerativer Krankheiten führen können. Eine Mutation des Transkriptionsregulators Zeb2 führt zur Entwicklung des Mowat-Wilson-Syndroms, einer Erkrankung, die mit kognitiven Störungen und einem erkennbaren Gesichtsphänotyp einhergeht. Obwohl kognitive Defekte häufig mit Defekten bei der Bildung des dendritischen Baums in Verbindung gebracht werden, wurde die Rolle von Zeb2 bei der dendritischen Entwicklung bisher nicht untersucht. Hier zeige ich, dass Zeb2-defiziente Neuronen in den oberen neokortikalen Schichten einen abnormalen dendritische Baum aufweisen. Außerdem führt der Verlust von Zeb2 zu einer Fehlorientierung des apikalen Dendriten in einer nicht senkrechten Ausrichtung zur Pia. Darüber hinaus habe ich die Signalwege analysiert, die an der Regulierung der Morphologie des Dendritenbaum stromabwärts von Zeb2 beteiligt sind, und zwar durch Deep Sequencing des Transkriptoms von Zeb2-defizienten und Wildtyp-Neokortices sowie durch Massenspektrometrie-Screens auf Veränderungen in der Expression von Zelloberflächenproteinen nach dem Verlust von Zeb2. Für die vielversprechenden Kandidaten habe ich ein in situ-Hybridisierungs-Screening bei E15,5 durchgeführt. Eine Reihe von Genen, die an der neuronalen Morphologie und an Membranproteinen beteiligt sind, darunter Neuropilin1 und Cadherin6, werden in Gehirnen mit Zeb2-Mangel überexprimiert. Insbesondere habe ich die Rolle der neuen nachgeschalteten Zielgene Nrp1, Cdh6 und Wnt5a analysiert. Ich verwendete shRNA von Nrp1, Cdh6 und Wnt5a in neuronale Zellkultur, um zu zeigen, dass Nrp1 und Wnt5a eine erhöhte dendritische Komplexität in den Zeb2-defizienten neuronalen Zellen fördern. Die Überexpression von Nrp1 in Neuronen der oberen Schicht in vivo mittels in utero Elektroporation ist ausreichend, um die dendritische Komplexität zu fördern. Darüber hinaus zeige ich durch in utero Elektroporation einer shRNA gegen Nrp1 in Zeb2-defiziente Tiere, dass die Unterdrückung von Nrp1 durch Zeb2 für die Unterdrückung exzessiver Verzweigungen während der Entwicklung erforderlich ist. Für die Ausrichtung des Dendritenbaum ist sie jedoch nicht erforderlich. Zusammengenommen zeigen diese Daten die wichtige Rolle des Zeb2-Gens bei der Entwicklung des korrekten Dendritenbaum von Neuronen und der Ausrichtung des apikalen Dendriten. / Dendritic defects mediate disturbances in the excitability, modulation and plasticity of neurons, which can lie at the cause of neurodegenerative diseases. Mutation of the transcriptional regulator, Zeb2, causes the development of Mowat-Wilson syndrome, a condition associated with cognitive defects and a recognizable facial phenotype. Although cognitive defects are often associated with defects in the formation of the dendritic tree, the role of Zeb2 in dendritic development had not been studied previously. Here, I show that Zeb2- deficient neurons in the upper neocortical layers have abnormal dendritic trees. Also, loss of Zeb2 results in the mis-orientation of the apical dendrite to a non-perpendicular orientation to the pia. Furthermore, I have analysed the signalling pathways involved in regulation of dendritic tree morphology downstream of Zeb2 by deep sequencing of the transcriptome of Zeb2-deficient and wildtype neocortices and mass spectrometry screens for changes in the expression of cell surface proteins upon loss of Zeb2. For the promising candidates, I have performed in situ hybridization screening at E15.5. A number of genes involved in neuronal morphology and membrane proteins, including Neuropilin1 and Cadherin6, become overexpressed in Zeb2- deficient brains. In particular, I analysed the role of the novel downstream target genes Nrp1, Cdh6 and Wnt5a. I used shRNA of Nrp1, Cdh6 and Wnt5a in cortical neuron cultures to demonstrate that Nrp1 and Wnt5a promote increased dendritic complexity in Zeb2-deficient neuronal cells. Overexpression of Nrp1 in upper layer neurons in vivo, using in utero electroporation, is sufficient to promote dendritic complexity. In addition, I show using in utero electroporation of an shRNA against Nrp1 into Zeb2-deficient animals, that repression of Nrp1 by Zeb2 is required for suppressing excessive branching during development. It is not needed however for the orientation of the dendritic tree. Taken together, these data show the important role of the Zeb2 gene in the development of the correct dendritic tree of neurons and the orientation of the apical dendrite.

Computertomographie (CT) ist eine nicht-destruktive bildgebende Methode, die in den letzten Jahren häufig bei fossilen Wirbeltierschädeln angewendet wird und Paläontologen ermöglicht bisher unbekannte interne Schädelmerkmale zu untersuchen. Letztere sind bedeutend um die Gehör- und Gehirnevolution, Gesichtsinnervation, den Zahnwechsel und den Ursprung von Endothermie entlang der Stammlinie der Säugetiere (Synapsida) zu verdeutlichen. Obwohl interne Schädelmerkmale in den letzten Jahren bei zahlreichen Therapsiden beschrieben wurden, sind sie bisher von der Wissenschaft weitestgehend vernachlässigt worden, verglichen mit den gut erforschten äußeren craniodentalen Merkmalen bei Synapsiden und wurden daher in phylogenetischen Analysen überwiegend vernachlässigt. In dieser Doktorarbeit stelle ich eine Neubewertung der der Phylogenie der Eutheriodontier (die Synapsidengruppe bestehend aus Cynodontia+Therocephalia) und eine Beurteilung der Merkmalsevolution innerhalb dieser Gruppe bereit. Der Ursprung der Cynodontier, die Ahnen der Säugetiere, stellt einen der bedeutendsten, bisher ungelösten Probleme in der Evolution der Therapsiden dar. Es ist bekannt, dass die Cynodontier am engsten mit den Therocephaliern verwandt sind, jedoch sind die genauen Verwandtschaftsverhältnisse bisher nicht eindeutig geklärt. Obwohl eine wesentliche Dichotomie in der abgeleiteten triassischen Subklade Eucynodontia in der Phylogenie der Cynodontia gut unterstützt wird, bleiben die Verwandtschaftsverhältnisse basalerer Cynodontier derzeit ungelöst. Anhand von CT Daten, die anhand eines ausgiebigen Datensatzes von Exemplaren der am frühesten bekannten (oberpermischen und untertriassischen) Cynodontier, sowie einiger ausgewählter Therocephalier und höherer (mitteltriassischer) Cynodontier (Eucynodontia) gewonnen wurden, konnte ich neue interne Schädelmerkmale dieser Tiere beschreiben. Diese Daten wurden anschließend in einem neuen, umfassenden phylogenetischen Datensatz dieser Gruppe integriert. / Computed tomography (CT) is a non-destructive imaging technique that has been widely used on fossil vertebrate crania in recent years and allowed paleontologists to investigate previously-obscure endocranial data. The latter have been instrumental in elucidating patterns of ear and brain evolution, facial innervation, tooth replacement and the origin of endothermy along the mammalian stem lineage (Synapsida). Although endocranial characters have been described for various synapsids in recent years, they remain understudied compared to the well-known external craniodental features in synapsids and have been largely ignored in phylogenetic analyses. In this thesis, I provide a re-evaluation of the phylogeny of Eutheriodontia (the synapsid subclade consisting of Cynodontia+Therocephalia) and an assessment of character evolution within the group. The origin of cynodonts, the group ancestral to (and including) mammals, is one of the major outstanding problems in therapsid evolution. It is well-established that cynodonts are most closely related to Therocephalia among the major synapsid groups, but the exact nature of this relationship is uncertain. Furthermore, although a fundamental dichotomy in the derived Triassic subclade Eucynodontia is well-supported in cynodont phylogeny, the relationships of more stemward cynodonts are currently unresolved. Using CT data derived from extensive sampling of the earliest known (late Permian and Early Triassic) cynodonts and selected exemplars of therocephalians and later (Middle Triassic onwards) cynodonts (eucynodonts), I described novel aspects of the endocranial anatomy of these animals. These data were incorporated into a new, taxonomically comprehensive phylogenetic dataset of the group.

Citizen Science (CS) ist eine Methode, die in den letzten Jahren in der Wissenschaft weltweit an Bedeutung gewonnen hat. Obwohl viele Studien diese Daten mit denen von akademischen Forschenden verglichen, gibt es immer noch Bedenken hinsichtlich ihrer Qualität. In meiner Doktorarbeit zielte ich darauf ab die Methode CS für eine Vogelart mit einem großen Repertoire, der Nachtigall (Luscinia megarhynchos), als Anwendungsfall auf der Grundlage der Dialektforschung zu evaluieren. Ich untersuchte, ob die drei vermeintlichen Hauptgründe für schlechte Qualität (Anonymität, Unerfahrenheit und fehlende Standardisierung) zu unvollständigen, zeitlich oder räumlich verzerrten und ungenauen bioakustischen Daten führten. Dazu analysierte ich nicht-standardisierte CS-Aufnahmen, die mit einem Smartphone über die 'Naturblick' App erstellt wurden, welche einen eingebauten Mustererkennungsalgorithmus enthielt. Ich konnte in meiner Doktorarbeit zeigen, dass mit der Methode CS valide Daten für die bioakustische Forschung gewonnen werden können. Meine Ergebnisse zeigten, dass Anonymität, mangelnde Erfahrung und Standardisierung nicht zu geringer Qualität führten, sondern zu einem großen Datensatz, der genauso wertvoll war wie jene von akademischen Forschenden. Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für künftige CS-Projekte zur Verbesserung der Qualität und des Vertrauens in diese Daten. / Citizen science (CS) is a method that has been increased in science worldwide in recent years. Although many studies have compared these data with those of academic researchers, there are still concerns about their quality. In my doctoral thesis I aimed to evaluate the method of CS for a bird species with a large repertoire, the nightingale (Luscinia megarhynchos), as a use case based on dialect research. I investigated whether the three main assumed reasons for poor quality (anonymity, inexperience and lack of standardisation) led to incomplete, temporal or spatial biassed and inaccurate bioacoustic data. Therefore, I analysed non-standardised CS recordings, which were generated with a smartphone via the 'Naturblick' app, which contained an in-built pattern recognition algorithm. In summary (Chapter V), my doctoral thesis showed that the method CS could be used to generate valid data for bioacoustic research. My findings showed that anonymity, lack of experience and standardisation did not lead to low quality but in fact to a large dataset, which was as valuable as ones from academic researchers. The results are of great relevance for future CS projects to improve the quality and the trust in these data.

Mesosaurier, kleine Reptilien aus dem Unteren Perm, gelten als die frühesten aquatischen Reptilien. Trotz ihrer kurzen Existenz und begrenzten Verbreitung bieten sie wichtige Einblicke in die frühe Amnioten-Evolution. Diese Arbeit fasst vier Artikel zusammen, die Aspekte der Anatomie, Ontogenese und Ökologie von Mesosauridae beleuchten. Kapitel 1 behandelt die Knochenhistologie und Pachyosterosklerose in Mesosaurierknochen, was auf eine vollständig aquatische Lebensweise hinweist. Wir identifizieren auch eine große intraspezifische Variation, die möglicherweise durch unregelmäßige Probenahmeorte beeinflusst wird. Kapitel 2 untersucht die morpho¬logische Variation bei Mesosauriern und deren Umwelt-verteilung basierend auf ihrer Größe. Ontogenetische Veränderungen stehen im Zusammenhang mit dem Wechsel des Ablagerungsmilieus und deuten auf Veränderungen in Ernährung und Lebensraum mit dem Wachstum hin. In Kapitel 3 wird die kaudale Autotomie bei Mesosauriern überprüft und das Vorhandensein kaudaler Bruchebenen bestätigt. Wir schlagen eine stärker von den Extremitäten angetriebene Fortbewegung vor. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass kaudale Autotomie ursprünglich in einer breiten Gruppe von Reptilien vorhanden war, anstatt konvergent in verschiedenen Linien entstanden zu sein. Kapitel 4 beschreibt auf Grundlage von Mesosaurier-Exemplaren vier grundlegende axiale Entwicklungs-modelle bei Amnioten und rekonstruiert ihren ursprünglichen Zustand in der Klade. Diese Muster bleiben im Laufe der Zeit relativ stabil, obwohl regionale Einflüsse möglich sind. Diese Erkenntnisse beleuchten wichtige Aspekte der Mesosaurier-Paläontologie und unterstreichen ihre Bedeutung für die Erforschung der Evolution früher Amnioten. / The enigmatic mesosaurs were small, reptiles that lived during the Lower Permian period and were the earliest known reptiles to return to living in water. Despite their short existence and restricted geographical distribution, mesosaurs can provide important evidence about the early evolution of amniotes and the colonization of aquatic environments. This thesis regroups four articles published in peer-reviewed journals that investigate aspects of the anatomy, ontogeny, and ecology of Mesosauridae. In Chapter 1, my co-authors and I study bone histology and pachyosterosclerosis in the long bones, vertebrae, and ribs of mesosaurs. Thin sections show a high degree of osteosclerosis in their bones, supporting a fully aquatic lifestyle. We also recover a large intraspecific variation in Mesosauridae, albeit possibly due to irregular sampling locations. In Chapter 2 we examine morphological variation in mesosaurs and the environmental distribution of individuals as a function of size. We highlight ontogenetic changes in mesosaurs associated with a transition across depositional environments, which suggest that mesosaurs underwent diet and life environment change with growth. In Chapter 3, we review the information on caudal autotomy in mesosaurs. We confirm the presence of caudal fracture planes in the clade and propose a more limb-driven propulsion than previously considered. Our results also suggest that caudal autotomy was ancestrally present in a large radiation of reptiles, rather than a feature evolved convergently in multiple lineages. In Chapter 4, based on data in mesosaur specimens, we describe four axial developmental patterns in amniotes and reconstruct their ancestral condition in the clade. We demonstrate that these patterns are relatively stable throughout time, albeit possibly affected by regionalization. These new elements reveal crucial aspects of mesosaur paleontology and substantiate their significance for studying the evolution of early amniotes.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Arbeiten zielten darauf ab, verschiedene Formen des Lernens und der Verhaltensanpassung in Tieren zu testen. Hierbei wurder der Großteil dieser Arbeit an einer natürlich vorkommenden klonalen Fischart, der Amazonas-Molly Poecilia formosa, durchgeführt. Diese gesellige, ausschließlich weibliche Art erzeugt durch ungeschlechtliche Fortpflanzung genetisch identische Nachkommen. Mit dem Aufkommen von immer detaillierteren Ansätzen zur Unterscheidung von Verhaltensunterschieden sind solche klonalen Arten in der Ethologie von entscheidender Bedeutung, da sie als perfektes natürliches Modell dienen, um individuelle Verhaltensunterschiede und deren Entwicklung zu testen. Da genetische Variationen als Störfaktor weitgehend ausgeschlossen werden können, kann die Aufmerksamkeit auf die Unterschiede zwischen Individuen aufgrund ihrer Vorerfahrungen gelenkt werden. In den ersten drei Kapiteln der hier vorgestellten Arbeit wurden die individuellen Erfahrungen durch operante Konditionierung oder durch das Aussetzen der Tiere gegenüber neuen oder bekannten Situationen verändert. Das jeweilige Verhalten wurde sowohl alleine, als auch im sozialen Kontext untersucht. Auf diese Weise wurde die Auswirkung des sozialen Kontexts sowie der physischen Umgebung auf Verhaltensaspekte wie Schwimmgeschwindigkeit und Sprungwahrscheinlichkeit ermittelt. Kleinere Verhaltensunterschiede wurden dann im folgenden Kapitel durch den Vergleich von manuellen Ansätzen und automatischen Quantifizierungsinstrumenten bewertet und evaluiert. Schließlich wurde ein methodischer Ansatz augearbeitet, bei dem die Leistungsfähigkeit künstlicher intelligenz in Form von neuronalen Netze genutzt wurde, um Individuen in komplizierten, natürlichen Szenen während Räuber-Beute-Interaktionen zu verfolgen. / The work presented in this thesis set out to test various forms of learning and behavior adaptation. The bulk of this work was done using a naturally occurring clonal fish species, the Amazon molly Poecilia formosa. This sociable, all female species produces genetically identical offspring through asexual reproduction. With the advent of increasingly detailed approaches to discriminate behavioral differences, such clonal species are vital in ethology as they serve as a perfect natural model to test for individual behavioral differences and the development of such. Since genetical variation can largely be excluded as a confounding factor, attention can be drawn towards the differences among individuals due to their prior experience. In the first three chapters of the work presented here, the individual information and experience was altered by applying operant conditioning or by exposing the animals to novel or well-known situations. This was done both individually and in a group setting. By doing so, the effect of the social context, as well as the physical surroundings on behavioral aspects such as swimming speed and jumping probability was determined. Minute behavioral differences were then evaluated in the following chapter by comparing manual approaches and automated quantification tools. Lastly, a methodological approach was taken in which the power of artifical neural networks was harnessed to track individuals in convoluted natural scenes during predator-prey interactions.

Die Entschlüsselung der Mechanismen zur Regulierung der Zellidentität im Kontext der zellulären Reprogrammierung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Strategien, die die Qualität und Sicherheit reprogrammierter Zellen für medizinische Anwendungen gewährleisten. Die Bedeutung der verschiedenen Regulationswege und die Art und Weise, wie die ursprüngliche Zellidentität verloren geht, während die neue Zellidentität durch Reprogrammierung etabliert wird, sind noch nicht vollständig verstanden. Um diese Fragen zu klären, haben wir ein neuartiges System entwickelt, in dem Coelomozyten (CCs), die in C. elegans endocytische und hepatische Funktionen haben, durch Überexpression des GATA-Transkriptionsfaktors (TF) ELT-7 bzw. des ZNF-Transkriptionsfaktors (TF) CHE-1, sowohl in darm-, als auch in neuronenartige Zellen umprogrammiert werden können. Wir haben einen RNAi-Screen mit 732 Chromatinregulatoren durchgeführt, um neue Enhancer/Suppressor-Pathways zu identifizieren, die an der direkten Reprogrammierung von CCs beteiligt sind. Dabei konnten wir zeigen, dass die Deletion von Effektorproteinargonauten und von Komponenten des nuklearen RNAi-Pathways die Reprogrammierung von CCs in Neuronen oder Darmzellen unterdrückt. Argonaut NRDE-3, das aus dem Zytoplasma in den Zellkern wandert, zeigte bei seiner Deletion die stärkste Unterdrückung der Reprogrammierung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die nukleäre RNAi-Maschinerie für die direkte zelluläre in vivo Reprogrammierung erforderlich sein könnte. Darüber hinaus haben wir ATAC-seq in FACs-sortierten CCs durchgeführt, um die Chromatinlandschaft während der CC-Reprogrammierung zu untersuchen. Darüber hinaus haben wir ein menschliches Transdifferenzierungsmodell etabliert, um die Rolle der nuklearen RNAi-Maschinerie und der zahlreichen konservierten Reprogrammierungsfaktoren, die in C. elegans während der direkten Reprogrammierung in vivo identifiziert wurden, zu erforschen. / Dissecting cell fate regulatory mechanisms in the context of cellular reprogramming is central to developing strategies that ensure the quality and safety of reprogrammed cells for medical applications. The importance of different regulatory pathways and how the original cell fate is shut down while establishing the new cell fate during reprogramming are not fully understood. To address these questions, we developed a novel system where coelomocytes (CCs), which have scavenging and hepatic function in C. elegans, can reprogram into both intestinal- and neuronal-like cells upon overexpression of GATA-type transcription factor (TF) ELT-7 and ZNF-type TF CHE-1, respectively. We performed an RNAi screen consisting of 732 chromatin regulators/remodelers to identify novel enhancer/suppressor pathways involved in the direct reprogramming of CCs. We showed that depletion of effector protein Argonauts and the nuclear RNAi pathway components suppresses CC reprogramming into either neurons or intestinal cells. Specifically, the core member Argonaut NRDE-3, which translocates from the cytoplasm to the nucleus, showed the most robust suppression in reprogramming upon its depletion. These findings suggest that nuclear RNAi machinery might be required for in vivo direct cellular reprogramming. Moreover, we also performed the ATAC-seq in FACs-sorted CCs to uncover accessibility in chromatin states during CC reprogramming. Furthermore, we established a human transdifferentiation model to reveal the role of nuclear RNAi machinery and the numerous conserved reprogramming factors identified in C. elegans during in vivo direct reprogramming.

In dieser Dissertation haben wir das Verhalten menschlicher Zellen in Raum und Zeit untersucht. Hochwertige Datensätze subzellulärer Regionen in HEK293-Zellen wurden mit Hilfe der BirA* Proximity-Labelling-Aktivität erstellt, wobei die Lokalisierung auf zelluläre Regionen beschränkt wurde, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu reinigen sind (d. h. die dem Zytosol zugewandten Seiten des ER, Mitochondrien und Plasma-membranen). Wir entwickelten daraufhin einen Ansatz zur Kartierung der Verteilung von Proteinen, die aktiv an RNA binden, und nannten ihn f-XRNAX. Wir stellten hintergrundkorrigierte Proteome für Zellkerne, Zytoplasma und Membranen von HEK293-Zellen her. Überraschenderweise wurden viele nicht-kanonische RBPs in der Membranfraktion identifiziert, und ihre Peptidprofile waren in Regionen mit hoher Dichte an intrinsisch ungeordneten Regionen angereichert, was auf eine möglicherweise schwache, durch diese nicht-strukturellen Motive vermittelte Interaktion mit RNA hinweist. Schließlich konnten wir die unterschiedliche Bindung desselben Proteins an RNA in verschiedenen HEK293-Kompartimenten nachweisen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf die Bestimmung und Quantifizierung von neu transkribierten RNAs auf Einzelzellebene. Die Kinetik der RNA-Transkription und -Degradation war bis vor kurzem auf Einzelzellebene nicht messbar. Daher haben wir einen neuen Ansatz (SLAM-Drop-seq genannt) entwickelt, indem wir die veröffentlichte SLAM-seq-Methode an Einzelzellen angepasst haben. Wir haben SLAM-Drop-seq verwendet, um die zeitabhängigen RNA-Kinetikraten der Transkription und des Umsatzes für Hunderte von oszillierenden Transkripten während des Zellzyklus von HEK293-Zellen zu schätzen. Wir fanden heraus, dass Gene ihre Expression mit unterschiedlichen Strategien regulieren und spezifische Modi zur Feinabstimmung ihrer kinetischen Raten entlang des Zellzyklus haben. / In this PhD dissertation we investigated the behaviour of human cells through space and time. High quality datasets of subcellular regions in HEK293 cells were generated using BirA* proximity labelling activity and restricting its localization at cellular regions difficult to purified with traditional methods (i.e., the cytosol-facing sides of the endoplasmic reticulum, mitochondria, and plasma membranes). We then developed an approach to map the distribution of proteins actively binding to RNA, and named it f-XRNAX. We recovered background-corrected proteomes for nuclei, cytoplasm and membranes of HEK293 cells. Surprisingly, many non-canonical RBPs were identified in the membrane fraction, and their peptide profiles were enriched in regions with high density of intrinsically disordered regions, indicating a possibly weak interaction with RNA mediated by these non-structural motives. Lastly, we provided evidence of the differential binding to RNA of the same protein in different HEK293 compartments. In the second part of this thesis, we focused on the determination and quantification of newly transcribed RNAs at the single-cell level. The kinetics of RNA transcription, processing and degradation were until recently not measurable at the single-cell level. Thus, we have developed a novel approach (called SLAM-Drop-seq ) by adapting the published SLAM-seq method to single cells. We used SLAM Drop-seq to estimate time-dependent RNA kinetics rates of transcription and turnover for hundreds of oscillating transcripts during the cell cycle of HEK293 cells. We found that genes regulate their expression with different strategies and have specific modes to fine-tune their kinetic rates along the cell cycle.