High-throughput sequencing (HTS) has revolutionized bacterial genomics. Its unparalleled sensitivity has opened the door to analyzing bacterial evolution and population genomics, dispersion of mobile genetic elements (MGEs), and within-host adaptation of pathogens, such as Escherichia coli. One of the defining characteristics of intestinal pathogenic E. coli (IPEC) pathotypes is a specific repertoire of virulence factors (VFs). Many of these IPEC VFs are used as typing markers in public health laboratories to monitor outbreaks and guide treatment options. Instead, extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) isolates are genotypically diverse and harbor a varied set of VFs -- the majority of which also function as fitness factors (FFs) for gastrointestinal colonization. The aim of this thesis was the genomic characterization of pathogenic and commensal E. coli with respect to their virulence- and antibiotic resistance-associated gene content as well as phylogenetic background. In order to conduct the comparative analyses, I created a database of E. coli VFs, ecoli_VF_collection, with a focus on ExPEC virulence-associated proteins (Leimbach, 2016b). Furthermore, I wrote a suite of scripts and pipelines, bac-genomics-scripts, that are useful for bacterial genomics (Leimbach, 2016a). This compilation includes tools for assembly and annotation as well as comparative genomics analyses, like multi-locus sequence typing (MLST), assignment of Clusters of Orthologous Groups (COG) categories, searching for protein homologs, detection of genomic regions of difference (RODs), and calculating pan-genome-wide association statistics. Using these tools we were able to determine the prevalence of 18 autotransporters (ATs) in a large, phylogenetically heterogeneous strain panel and demonstrate that many AT proteins are not associated with E. coli pathotypes. According to multivariate analyses and statistics the distribution of AT variants is instead significantly dependent on phylogenetic lineages. As a consequence, ATs are not suitable to serve as pathotype markers (Zude et al., 2014). During the German Shiga toxin-producing E. coli (STEC) outbreak in 2011, the largest to date, we were one of the teams capable of analyzing the genomic features of two isolates. Based on MLST and detection of orthologous proteins to known E. coli reference genomes the close phylogenetic relationship and overall genome similarity to enteroaggregative E. coli (EAEC) 55989 was revealed. In particular, we identified VFs of both STEC and EAEC pathotypes, most importantly the prophage-encoded Shiga toxin (Stx) and the pAA-type plasmid harboring aggregative adherence fimbriae. As a result, we could show that the epidemic was caused by an unusual hybrid pathotype of the O104:H4 serotype. Moreover, we detected the basis of the antibiotic multi-resistant phenotype on an extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) plasmid through comparisons to reference plasmids. With this information we proposed an evolutionary horizontal gene transfer (HGT) model for the possible emergence of the pathogen (Brzuszkiewicz et al., 2011). Similarly to ExPEC, E. coli isolates of bovine mastitis are genotypically and phenotypically highly diverse and many studies struggled to determine a positive association of putative VFs. Instead the general E. coli pathogen-associated molecular pattern (PAMP), lipopolysaccharide (LPS), is implicated as a deciding factor for intramammary inflammation. Nevertheless, a mammary pathogenic E. coli (MPEC) pathotype was proposed presumably encompassing strains more adapted to elicit bovine mastitis with virulence traits differentiating them from commensals. We sequenced eight E. coli isolates from udder serous exudate and six fecal commensals (Leimbach et al., 2016). Two mastitis isolate genomes were closed to a finished-grade quality (Leimbach et al., 2015). The genomic sequence of mastitis-associated E. coli (MAEC) strain 1303 was used to elucidate the biosynthesis gene cluster of its O70 LPS O-antigen. We analyzed the phylogenetic genealogy of our strain panel plus eleven bovine-associated E. coli reference strains and found that commensal or MAEC could not be unambiguously allocated to specific phylogroups within a core genome tree of reference E. coli. A thorough gene content analysis could not identify functional convergence of either commensal or MAEC, instead both have only very few gene families enriched in either pathotype. Most importantly, gene content and ecoli_VF_collection analyses showed that no virulence determinants are significantly associated with MAEC in comparison to bovine fecal commensals, disproving the MPEC hypothesis. The genetic repertoire of bovine-associated E. coli, again, is dominated by phylogenetic background. This is also mostly the case for large virulence-associated E. coli gene cluster previously associated with mastitis. Correspondingly, MAEC are facultative and opportunistic pathogens recruited from the bovine commensal gastrointestinal microbiota (Leimbach et al., 2017). Thus, E. coli mastitis should be prevented rather than treated, as antibiotics and vaccines have not proven effective. Although traditional E. coli pathotypes serve a purpose for diagnostics and treatment, it is clear that the current typing system is an oversimplification of E. coli's genomic plasticity. Whole genome sequencing (WGS) revealed many nuances of pathogenic E. coli, including emerging hybrid or heteropathogenic pathotypes. Diagnostic and public health microbiology need to embrace the future by implementing HTS techniques to target patient care and infection control more efficiently. / Eines der definierenden Charakteristika intestinal pathogener E. coli (IPEC) Pathotypen ist ein spezifisches Repertoire an Virulenzfaktoren (VFs). Viele dieser IPEC VFs werden als Typisierungsmarker benutzt. Stattdessen sind Isolate extraintestinal pathogener E. coli (ExPEC) genotypisch vielfältig und beherbergen verschiedenartige VF Sets, welche in der Mehrheit auch als Fitnessfaktoren (FFs) für die gastrointestinale Kolonialisierung fungieren. Das Ziel dieser Dissertation war die genomische Charakterisierung pathogener und kommensaler E. coli in Bezug auf ihren Virulenz- und Antibiotikaresistenz-assoziierten Gengehalt sowie ihre phylogenetische Abstammung. Als Voraussetzung für die vergleichenden Analysen erstellte ich eine E. coli VF-Datenbank, ecoli_VF_collection, mit Fokus auf Virulenz-assoziierte Proteine von ExPEC (Leimbach, 2016b). Darüber hinaus programmierte ich mehrere Skripte und Pipelines zur Anwendung in der bakteriellen Genomik, bac-genomics-scripts (Leimbach, 2016a). Diese Sammlung beinhaltet Tools zur Unterstützung von Assemblierung und Annotation sowie komparativer Genomanalysen, wie Multilokus-Sequenztypisierung (MLST), Zuweisung von Clusters of Orthologous Groups (COG) Kategorien, Suche nach homologen Proteinen, Identifizierung von genomisch unterschiedlichen Regionen (RODs) und Berechnung Pan-genomweiter Assoziationsstatistiken. Mithilfe dieser Tools konnten wir die Prävalenz von 18 Autotransportern (ATs) in einer großen, phylogenetisch heterogenen Stammsammlung bestimmen und nachweisen, dass viele AT-Proteine nicht mit E. coli Pathotypen assoziiert sind. Multivariate Analysen und Statistik legten offen, dass die Verteilung von AT-Varianten vielmehr signifikant von phylogenetischen Abstammungslinien abhängt. Deshalb sind ATs nicht als Marker für Pathotypen geeignet (Zude et al., 2014). Während des bislang größten Ausbruchs von Shiga-Toxin-produzierenden E. coli (STEC) im Jahre 2011 in Deutschland waren wir eines der Teams, welches die genomischen Eigenschaften zweier Isolate analysieren konnte. Basierend auf MLST und Detektion orthologer Proteine zu bekannten E. coli Referenzgenomen konnte ihre enge phylogenetische Verwandschaft und Ähnlichkeit des gesamten Genoms zum enteroaggregativen E. coli (EAEC) 55989 aufgedeckt werden. Im Detail identifizierten wir VFs von STEC und EAEC Pathotypen, vor allem das Prophagen-kodierte Shiga-Toxin (Stx) und ein Plasmid des pAA-Typs kodierend für aggregative Adhärenz-Fimbrien. Die Epidemie wurde demnach durch einen ungewöhnlichen Hybrid-Pathotyp vom O104:H4 Serotyp verursacht. Zusätzlich identifizierten wir die Grundlage für den multiresistenten Phänotyp dieser Ausbruchsstämme auf einem Extended-Spektrum-beta-Laktamase (ESBL) Plasmid über Vergleiche mit Referenzplasmiden. Mit diesen Informationen konnten wir ein horizontales Gentransfer-Modell (HGT) zum Auftreten dieses Pathogenen vorschlagen (Brzuszkiewicz et al., 2011). Ähnlich zu ExPEC sind E. coli Isolate boviner Mastitiden genotypisch und phänotypisch sehr divers, und viele Studien scheiterten am Versuch eine positive Assoziation vermeintlicher VFs nachzuweisen. Stattdessen gilt Lipopolysaccharid (LPS) als entscheidender Faktor zur intramammären Entzündung. Gleichwohl wurde ein mammärer pathogener E. coli (MPEC) Pathotyp vorgeschlagen, der mutmaßlich Stämme umfasst, welche eher geeignet sind eine bovine Mastitis auszulösen und über Virulenz-Merkmale von Kommensalen abgegrenzt werden können. Wir sequenzierten acht E. coli Isolate aus serösem Eutersekret und sechs fäkale Kommensale (Leimbach et al., 2016). Bei zwei Mastitisisolaten wurden die Genome vollständig geschlossen (Leimbach et al., 2015). Anhand der genomischen Sequenz des Mastitis-assoziierten E. coli (MAEC) Stamms 1303 wurde das Gencluster zur Biosynthese seines O70 LPS O-Antigens aufgeklärt. Wir analysierten die phylogenetische Abstammung unserer Stammsammlung plus elf bovin-assoziierter E. coli Referenzstämme, aber konnten weder MAEC noch Kommensale bestimmten Phylogruppen innerhalb eines Core-Genom Stammbaums aus Referenz-E. coli eindeutig zuordnen. Eine ausführliche Gengehalt-Analyse konnte keine funktionelle Konvergenz innerhalb von Kommensalen oder MAEC identifizieren. Stattdessen besitzen beide nur sehr wenige Genfamilien, die bevorzugt in einer der beiden Pathotypen vorkommen. Weder eine Gengehalt- noch eine ecoli_VF_collection-Analyse konnte zeigen, dass eine signifikante Assoziation von bestimmten Virulenzfaktoren mit MAEC, im Vergleich zu bovinen fäkalen Kommensalen, besteht. Damit wurde die MPEC Hypothese widerlegt. Auch das genetische Repertoire von Rinder-assoziierten E. coli wird durch die phylogenetische Abstammung bestimmt. Dies ist überwiegend auch bei großen Virulenz-assoziierten Genclustern der Fall, die bisher mit Mastitis in Verbindung gebracht wurden. Dementsprechend sind MAEC fakultative und opportunistische Pathogene, die ihren Ursprung als Kommensale in der bovinen gastrointestinalen Mikrobiota haben (Leimbach et al., 2017). Obwohl traditionelle E. coli Pathotypen in der Diagnostik und Behandlung einen Zweck erfüllen, ist es offensichtlich, dass das derzeitige Typisierungs-System die genomische Plastizität von E. coli zu sehr vereinfacht. Die Gesamtgenom-Sequenzierung (WGS) deckte viele Nuancen pathogener E. coli auf, einschließlich entstehender hybrider oder heteropathogener Pathotypen. Diagnostische und medizinische Mikrobiologie müssen einen Schritt in Richtung Zukunft gehen und HTS-Technologien anwenden, um Patientenversorgung und Infektionskontrolle effizienter zu unterstützen.

Summary Bees, like many other organisms, evolved an endogenous circadian clock, which enables them to foresee daily environmental changes and exactly time foraging flights to periods of floral resource availability. The social lifestyle of a honey bee colony has been shown to influence circadian behavior in nurse bees, which do not exhibit rhythmic behavior when they are nursing. On the other hand, forager bees display strong circadian rhythms. Solitary bees, like the mason bee, do not nurse their offspring and do not live in hive communities, but face the same daily environmental changes as honey bees. Besides their lifestyle mason and honey bees differ in their development and life history, because mason bees overwinter after eclosion as adults in their cocoons until they emerge in spring. Honey bees do not undergo diapause and have a relatively short development of a few weeks until they emerge. In my thesis, I present a comparison of the circadian clock of social honey bees (Apis mellifera) and solitary mason bees (Osmia bicornis and Osmia cornuta) on the neuroanatomical level and behavioral output level. I firstly characterized in detail the localization of the circadian clock in the bee brain via the expression pattern of two clock components, namely the clock protein PERIOD (PER) and the neuropeptide Pigment Dispersing Factor (PDF), in the brain of honey bee and mason bee. PER is localized in lateral neuron clusters (which we called lateral neurons 1 and 2: LN1 and LN2) and dorsal neuron clusters (we called dorsal lateral neurons and dorsal neurons: DLN, DN), many glia cells and photoreceptor cells. This expression pattern is similar to the one in other insect species and indicates a common ground plan of clock cells among insects. In the LN2 neuron cluster with cell bodies located in the lateral brain, PER is co-expressed with PDF. These cells build a complex arborization network throughout the brain and provide the perfect structure to convey time information to brain centers, where complex behavior, e.g. sun-compass orientation and time memory, is controlled. The PDF arborizations centralize in a dense network (we named it anterio-lobular PDF hub: ALO) which is located in front of the lobula. In other insects, this fiber center is associated with the medulla (accessory medulla: AME). Few PDF cells build the ALO already in very early larval development and the cell number and complexity of the network grows throughout honey bee development. Thereby, dorsal regions are innervated first by PDF fibers and, in late larval development, the fibers grow laterally to the optic lobe and central brain. The overall expression pattern of PER and PDF are similar in adult social and solitary bees, but I found a few differences in the PDF network density in the posterior protocerebrum and the lamina, which may be associated with evolution of sociality in bees. Secondly, I monitored activity rhythms, for which I developed and established a device to monitor locomotor activity rhythms of individual honey bees with contact to a mini colony in the laboratory. This revealed new aspects of social synchronization and survival of young bees with indirect social contact to the mini colony (no trophalaxis was possible). For mason bees, I established a method to monitor emergence and locomotor activity rhythms and I could show that circadian emergence rhythms are entrainable by daily temperature cycles. Furthermore, I present the first locomotor activity rhythms of solitary bees, which show strong circadian rhythms in their behavior right after emergence. Honey bees needed several days to develop circadian locomotor rhythms in my experiments. I hypothesized that honey bees do not emerge with a fully matured circadian system in the hive, while solitary bees, without the protection of a colony, would need a fully matured circadian clock right away after emergence. Several indices in published work and preliminary studies support my hypothesis and future studies on PDF expression in different developmental stages in solitary bees may provide hard evidence. / Zusammenfassung Bienen, sowie viele andere Organismen, evolvierten eine innere circadiane Uhr, die es ihnen ermöglicht, tägliche Umweltveränderungen voraus zu sehen und ihre Foragierflüge zu Tageszeiten durchzuführen, wenn sie möglichst viele Blüten besuchen können. Es zeigte sich, dass der soziale Lebensstil der Honigbiene Einfluss auf das rhythmische Verhalten der Ammenbienen hat, die während der Brutpflege keinen täglichen Rhythmus im Verhalten aufweisen. Sammlerbienen auf der anderen Seite zeigen ein stark rhythmisches Verhalten. Solitäre Bienen, wie die Mauerbiene, betreiben keine Brutpflege und leben nicht in einer Staatengemeinschaft, aber sind den gleichen Umweltveränderungen ausgesetzt. Nicht nur Lebensstil, sondern auch Entwicklung und Lebenszyklus unterscheiden sich zwischen Honig- und Mauerbienen. Mauerbienen überwintern als adulte Insekten in einem Kokon bis sie im Frühjahr schlüpfen. Honigbienen durchleben keine Diapause und schlüpfen nach wenigen Wochen der Entwicklung im Bienenstock. In meiner Dissertation vergleiche ich die circadiane Uhr von sozialen Honigbienen (Apis mellifera) und solitären Mauerbienen (Osmia bicornis und Osmia cornuta) auf Ebene der Neuroanatomie und das durch die innere Uhr verursachte rhythmische Verhalten. Erstens charakterisierte ich detailliert die Lage der circadianen Uhr im Gehirn von Honig- und Mauerbiene anhand des Expressionsmusters von zwei Uhrkomponenten. Diese sind das Uhrprotein PERIOD (PER) und das Neuropeptid Pigment Dispersing Factor (PDF). PER wird exprimiert in lateralen Neuronen-Gruppen (die wir laterale Neurone 1 und 2 nannten: LN1 und LN2) und dorsalen Neuronen-Gruppen (benannt dorsal laterale Neurone und dorsale Neurone: DLN und DN), sowie in vielen Gliazellen und Fotorezeptorzellen. Dieses Expressionsmuster liegt ähnlich in anderen Insektengruppen vor und deutet auf einen Grundbauplan der Inneren Uhr im Gehirn von Insekten hin. In der LN2 Neuronen-Gruppe, deren Zellkörper im lateralen Gehirn liegen, sind PER und PDF in den gleichen Zellen co-lokalisiert. Diese Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Verzweigungen durch das gesamte Gehirn und liefern damit die perfekte Infrastruktur, um Zeitinformation an Gehirnregionen weiterzuleiten, die komplexe Verhaltensweisen, wie Sonnenkompass-Orientierung und Zeitgedächtnis, steuern. Alle PDF Neuriten laufen in einer anterior zur Lobula liegenden Region zusammen (sie wurde ALO, anterio-lobular PDF Knotenpunkt, genannt). Dieser Knotenpunkt ist in anderen Insekten mit der Medulla assoziiert und wird akzessorische Medulla (AME) genannt. Wenige PDF Zellen bilden bereits im frühen Larvalstadium diesen ALO und die Zellzahl sowie die Komplexität des Netzwerks wächst die gesamte Entwicklung der Honigbiene hindurch. Dabei werden zuerst die dorsalen Gehirnregionen von PDF Neuronen innerviert und in der späteren Larvalentwicklung wachsen die Neurite lateral in Richtung der optischen Loben und des Zentralgehirns. Das generelle Expressionsmuster von PER und PDF in adulten sozialen und solitären Bienen ähnelt sich stark, aber ich identifizierte kleine Unterschiede in der PDF Netzwerkdichte im posterioren Protocerebrum und in der Lamina. Diese könnten mit der Evolution von sozialen Bienen assoziiert sein. Zweitens entwickelte und etablierte ich eine Methode, Lokomotionsrhythmen von individuellen Bienen im Labor aufzunehmen, die in Kontakt mit einem Miniaturvolk standen. Diese Methode enthüllte neue Aspekte der sozialen Synchronisation unter Honigbienen und des Überlebens von jungen Bienen, die indirekten sozialen Kontakt zu dem Miniaturvolk hatten (Trophalaxis war nicht möglich). Für Mauerbienen etablierte ich eine Methode Schlupf- und lokomotorische Aktivitätsrhythmik aufzuzeichnen und konnte damit zeigen, dass tägliche Rhythmen im Schlupf durch Synchronisation der circadianen Uhr in Mauerbienen durch Tagestemperatur-Zyklen erzielt werden kann. Des Weiteren präsentiere ich die ersten lokomotorischen Aktivitätsrhythmen von solitären Bienen, die sofort nach ihrem Schlupf einen starken circadianen Rhythmus im Verhalten aufwiesen. Honigbienen brauchten in meinen Experimenten mehrere Tage, um circadiane Rhythmen in Lokomotion zu entwickeln. Ich erstellte die Hypothese, dass Honigbienen zum Zeitpunkt des Schlupfes im Bienenvolk ein noch nicht vollständig ausgereiftes circadianes System besitzen, während solitäre Bienen, die ohne den Schutz eines Volkes sind, direkt nach dem Schlupf eine vollständig ausgereifte Uhr brauchen. Mehrere Hinweise in Publikationen und Vorversuchen unterstützen meine Hypothese. Zukünftige Studien der Entwicklung des PDF Neuronen-Netzwerkes in solitären Bienen unterschiedlicher Entwicklungsstufen könnten dies nachweisen.

For cellular viability, transcription is a fundamental process. Hereby, the DNA plays the most elemental and highly versatile role. It has long been known that promoters contain conserved and often well-defined motifs, which dictate the site of transcription initiation by providing binding sites for regulatory proteins. However, research within the last decade revealed that it is promoters lacking conserved promoter motifs and transcribing constitutively expressed genes that constitute the majority of promoters in eukaryotes. While the process of transcription initiation is well studied, whether defined DNA sequence motifs are required for the transcription of constitutively expressed genes in eukaryotes remains unknown. In the highly divergent protozoan parasite Trypanosoma brucei, most of the proteincoding genes are organized in large polycistronic transcription units. The genes within one polycistronic transcription unit are generally unrelated and transcribed by a common transcription start site for which no RNA polymerase II promoter motifs have been identified so far. Thus, it is assumed that transcription initiation is not regulated but how transcription is initiated in T. brucei is not known. This study aimed to investigate the requirement of DNA sequence motifs and chromatin structures for transcription initiation in an organism lacking transcriptional regulation. To this end, I performed a systematic analysis to investigate the dependence of transcription initiation on the DNA sequence. I was able to identify GT-rich promoter elements required for directional transcription initiation and targeted deposition of the histone variant H2A.Z, a conserved component during transcription initiation. Furthermore, nucleosome positioning data in this work provide evidence that sites of transcription initiation are rather characterized by broad regions of open and more accessible chromatin than narrow nucleosome depleted regions as it is the case in other eukaryotes. These findings highlight the importance of chromatin during transcription initiation. Polycistronic RNA in T. brucei is separated by adding an independently transcribed miniexon during trans-splicing. The data in this work suggest that nucleosome occupancy plays an important role during RNA maturation by slowing down the progressing polymerase and thereby facilitating the choice of the proper splice site during trans-splicing. Overall, this work investigated the role of the DNA sequence during transcription initiation and nucleosome positioning in a highly divergent eukaryote. Furthermore, the findings shed light on the conservation of the requirement of DNA motifs during transcription initiation and the regulatory potential of chromatin during RNA maturation. The findings improve the understanding of gene expression regulation in T. brucei, a eukaryotic parasite lacking transcriptional Regulation. / Die Transkription ist ein entscheidender Prozess in der Zelle und die DNA-Sequenz nimmt hierbei eine elementare Rolle ein. Promotoren beinhalten spezifische und konservierte DNASequenzen und vermitteln den Start der Transkription durch die Rekrutierung spezifischer Proteine. Jedoch haben Forschungen im vergangenen Jahrzehnt gezeigt, dass die Mehrzahl der Promotoren in eukaryotischen Genomen keine konservierten Promotormotive aufweisen und häufig konstitutiv exprimierte Gene transkribieren. Obgleich der Prozess der Transkriptionsinitiation im Allgemeinen gut erforscht ist, konnte bisher nicht nachgewiesen werden, ob ein definiertes DNA-Motiv während der Transkription von konstitutiv exprimierten Genes erforderlich ist. In dem eukaryotischen und einzelligen Parasiten Trypanosoma brucei ist die Mehrzahl der proteinkodierenden Gene in lange polycistronische Transkriptionseinheiten arrangiert. Diese werden von einem gemeinsamen Transkriptionsstart durch die RNA Polymerase II transkribiert, allerdings konnten hier bisher keine Promotormotive identifiziert werden. Aus diesem Grund besteht die Annahme, dass Transkription keiner Regulation unterliegt. Allgemein ist der Prozess der Transkriptionsinitiation in T. brucei bisher nur wenig verstanden. Um den Zusammenhang zwischen DNA-Motiven und konstitutiver Genexpression näher zu untersuchen und Schlussfolgerungen über die DNA-Sequenz-Abhängigkeit der Transkriptionsinitiation zu ziehen, habe ich eine systematische Analyse in T. brucei durchgeführt. Ich konnte GT-reiche Promotorelemente innerhalb dieser Regionen identifizieren, die sowohl eine gerichtete Transkriptionsinitiation, als auch den gezielten Einbau der Histonvariante H2A.Z in Nukleosomen nahe der Transkriptionsstartstelle vermittelt haben. Des Weiteren zeigten Nukleosomenpositionierungsdaten, dass in Trypanosomen die Transkripitonsstartstellen nicht die charakteristische, nukleosomendepletierte Region, wie für andere Organismen beschrieben, sondern eine offene Chromatinstruktur enthalten. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass die Chromatinstruktur eine wichtige Rolle während der mRNAProzessierung spielt. In T. brucei wird die polycistronische pre-mRNA durch das Anfügen eines Miniexons während des sogenannten trans-Splicens in individuelle mRNAs aufgetrennt. Die Daten dieser Arbeit belegen, dass die Anreicherung von Nukleosomen eine Verlangsamung der transkribierenden Polymerase bewirken und sie somit die richtige Wahl der Splicestelle gewährleisten. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Rolle der DNA Sequenz während der Transkriptionsinitiation und Nukleosomenpositionierung in einem divergenten Eukaryoten untersucht. Die Erkenntnisse bringen mehr Licht in die Konservierung der Notwendigkeit eines DNA-Motivs während der Transkriptionsinitiation und das regulatorische Potential der Chromatinstruktur während der RNA-Reifung. Zudem verbessern sie das Verständnis der Genexpressionsregulation in T. brucei, einem eukaryotischen Parasiten, der ohne transkriptionelle Regulation überlebt.

Understanding the evolutionary basis for human-specific phenotypes such as complex speech and language, advanced cognition or the unique preparation of their food is a topic of broad interest. Approaches focusing on comparisons of the genomic DNA (deoxyribonucleic acid) or RNA (ribonucleic acid) sequence between species, individuals or tissues allow for the identification of evolutionary sequence changes, some of these changes may underlie differences in phenotypes. In addition, differences in when, where and how much of a particular gene is present may also contribute to functional changes and therefore also to phenotypic differences. The resources to make such comparisons using genetic data are now available. The genome sequences of a number of outgroups: all living great apes, as well two archaic humans, are now publically available. Studying gene expression on the RNA level - a precursor of the protein expression - is considerably easier and cheaper than the measurement of expression of the protein itself. It has been shown that the RNA and protein expression levels are well correlated and therefore measuring RNA levels provides a good proxy for the expression of the protein. Using high-throughput sequencing techniques, relatively unbiased expression comparison is now possible because the RNA from any species can be sequenced directly, rather than being captured on arrays which are designed based on a particular reference sequence. The aim of this research was to use gene expression as a molecular phenotype to identify changes relevant to human-specific biology and study the difference between humans and their closest living relatives to understand patterns and differences in the gene expression and in gene expression regulation in multiple tissues in primates using high-throughput sequencing techniques. In my thesis, I describe two analyses to address open questions in the field of gene expression and genes expression regulation in humans. In the first part I will analyze how the effect of different diets impact gene expression using a mouse model. Two key components of the human diet that differ substantially from the diet of other primates, the frequent use of meat of many humans and the cooking of their food which is common for almost all human populations, are modeled in the experiment. I tested for their impact on liver gene expression. I found that both the differences in food substrates - meat and tuber - as well as in their preparation affect gene expression in mice significantly. The effect is bigger between food substrates than between methods of preparation. Differentially expressed genes between food substrates and food preparation were predominantly related to metabolic functions. In addition, immune-genes showed differential expression between the comparisons of raw meat to both, raw tuber and cooked meat, respectively. The results indicate that different food substrates and food preparations activate different metabolic pathways and that the cooking of food and particularly of meat has an influence on the immune also changes immune-reactions of the body. I showed that expression differences in these mice are correlated with the differences observed between humans and other primates, and that there is evidence that adaptation to these diets dates to more than 300.000 years. Finally, I showed that transcription factors play in important role in regulation of gene expression with respect to different food preparation. In the second part I analyzed the expression of one key regulator of gene expression: microRNAs (miRNAs). Using miRNA expression data from multiple primate species and for multiple tissues I found that expression differences vary between tissues. While heart and brain show only few expression differences between primates, other tissues are more variable in expression. The most extreme expression differences in all three primate species were found in the brain, which may reflect the importance of miRNAs in the regulation of gene expression in the brain. Expression differences in testis were significantly larger between humans and macaques than between chimpanzees and macaques, indicating that miRNAs evolved differently in human compared to chimpanzees. MiRNA expression differences were correlated with expression differences of their target genes genome-wide which underlines the regulatory importance of miRNAs. I also showed that differentially expressed miRNAs between species/tissues preferentially targeted transcription factors, which are important gene expression regulators as well. This finding that suggests complex regulatory pathways involving both miRNAs and transcription factors in the control of gene expression. Finally, I used the miRNA sequencing data to annotate new miRNAs in primates and was able to increase the number of annotated miRNAs substantially, especially for the non-human primates which were previously not extensively annotated. The overlap of miRNAs annotated in multiple primate species thereby also increased which will support future studies to investigate the evolutionary changes of miRNAs between these primates.

Wirbeltierskelette stehen seit langem im Fokus vieler wissenschaftlicher Disziplinen sowie kultureller Überlieferungen, und dies hängt wahrscheinlich mit der erstaunlichen Fähigkeit des Skeletts zusammen, den Tod zu überdauern und der Zersetzung zu widerstehen. Es ist diese Widerstandsfähigkeit des Knochens, die es uns ermöglicht, Evolution der Wirbeltiere anhand des Fossilberichts zu analysieren. Knochengewebe macht heute den Großteil der Wirbeltierskelette aus, doch über den evolutionären Ursprung von Knochen ist wenig bekannt, insbesondere was seine zelluläre Zusammensetzung angeht. Das übergreifende Thema dieser Arbeit ist es, die Evolution von mineralisiertem Gewebe mit besonderem Schwerpunkt auf Knochengewebe besser zu verstehen. Dies geschieht durch verschiedene Methoden von der traditionellen externen Morphologie über die Histologie bis hin zur Röntgen-Computertomographie und schließlich durch die Entwicklung der neuartigen fokussierten Ionenstrahl-Tomographie-Technik (FIB-SEM). Mit Hilfe dieser Methoden wird versucht, die Mikrostruktur fossilen Knochens zu verstehen und aus ihr abzuleiten, wie die heute erkennbarenMorphologien und Physiologien des Knochens entstanden sind. Die zweite Hälfte dieser Arbeit befasst sich mit Paläopathologien und wie sie unser Verständnis der normalen Physiologie durch die Dokumentation pathologisch veränderter Fossilien erweitern können. / Vertebrate skeletons have long been the focus of many scientific disciplines as well as cultural lore, and this is likely due to the amazing ability for the skeleton to survive death and decomposition. It is this resiliency of bone that allows us to to analyze the evolution of vertebrate life in the fossil record. Bone tissue makes up the majority of vertebrate skeletons today, yet little is known about its developmental origins, particularly when it comes to the cellular composition. In this thesis the overarching theme is to better understand the evolution of mineralized tissue with a particular emphasis on bone tissue. This is done through several methodologies from traditional external morphology, to histology, to X-ray computer tomography, and finally with a development of a novel focused ion beam (FIB-SEM) tomography technique. These methods are all employed as an attempt to understand the microstructure of fossil bone from early jawless vertebrates to amniotes and thus deduce how the morphologies and physiologies ascribed to bone today have come about. The second half of this thesis deals with osseous paleopathologies and how they can inform our understanding of normal physiology through the documentation of aberrant fossils.

Screening of a deeply sequenced transcriptome using Illumina sequencing as well as the genome of the tardigrade Hypsibius dujardini revealed a set of five opsin genes. To clarify the phylogenetic position of these genes and to elucidate the evolutionary history of opsins in Panarthropoda (Onychophora + Tardigrada + Arthropoda), we reconstructed the phylogeny of broadly sampled metazoan opsin genes using maximum likelihood and Bayesian inference methods in conjunction with carefully selected substitution models. According to our findings, the opsin repertoire of H. dujardini comprises representatives of all three major bilaterian opsin clades, including one r-opsin, three c-opsins, and a Group 4 opsin (neuropsin/opsin-5). The identification of the tardigrade ortholog of neuropsin/opsin-5 is the first record of this opsin type in a protostome, but our screening of available metazoan genomes revealed that it is also present in other protostomes. Our opsin phylogeny further suggests that two r-opsins, including an "arthropsin", were present in the last common ancestor of Panarthropoda. While both r-opsin lineages were retained in Onychophora and Arthropoda, the "arthropsin" was lost in Tardigrada. The single (most likely visual) r-opsin found in H. dujardini supports the hypothesis of monochromatic vision in the panarthropod ancestor, whereas two duplications of the ancestral panarthropod c-opsin have led to three c-opsins in tardigrades. Although the early-branching nodes are unstable within the metazoans, our findings suggest that the last common ancestor of Bilateria possessed six opsins: two r-opsins, one c-opsin, and three Group 4 opsins, one of which (Go opsin) was lost in the ecdysozoan lineage.

Die Anordnung von Tiergenomen in topologisch assoziierten Domänen (TADs) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Genen. Diese TADs sind Bereiche mit erhöhter Interaktion, die durch kontaktarme Zonen getrennt sind. In Wirbeltieren erfolgt die Bildung von TADs durch die Bindung von Kohäsin und CTCF (CCCTC-bindender Faktor) im Rahmen eines dynamischen Prozesses namens Loop-Extrusion. Dieser Prozess erzeugt Chromatinschleifen, die gestoppt werden, wenn sie auf CTCF-Proteine in einer spezifischen Ausrichtung treffen. Obwohl CTCF in den meisten Bilaterien stark konserviert ist, wurde seine globale architektonische Funktion in Fliegen bisher nicht erforscht. In dieser Studie wurde ein innovativer Ansatz entwickelt, um die evolutionären Aspekte der CTCF-vermittelten 3D-Chromatinorganisation zu untersuchen. Die Auswirkungen des Austauschs von CTCF-Orthologen innerhalb der Bilateriengruppe auf Lebensfähigkeit, Phänotypen, Genexpression, Genomarchitektur und genomweite Bindungsmuster wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die nicht-vertebraten Chordatiere C. robusta, unabhängig von der Anwesenheit von CTCF, keine herkömmlichen TAD-Strukturen aufweisen. Dennoch kann das Ciona-Ortholog als Transkriptionsfaktor fungieren, um die Expression bestimmter Gene und die Lebensfähigkeit wiederherzustellen, die bei vollständigem CTCF-Verlust in embryonalen Stammzellen der Maus dysreguliert sind. Dies deutet darauf hin, dass CTCF eine konservierte Rolle als Transkriptionsregulator hat, die über seine bekannte Funktion als architektonisches Protein in einigen Arten hinausgeht. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, ob CTCF in Ciona das Genom in seiner nativen Umgebung bindet und die Bindung von Kohäsin aufrechterhält. Die Unfähigkeit des CTCF-Orthologs der Maus, Chromatinschleifen im Genom der Fruchtfliege zu erzeugen, legt nahe, dass die Wirbeltier-Version von CTCF allein nicht für eine funktionelle Schleifen-Extrusion ausreicht. Es könnte notwendig sein, dass sie mit Fliegen-Kohäsin oder spezifischen Kofaktoren kompatibel ist. Die Studie zeigt auch subtile Unterschiede in den Bindungsmotiven von CTCF zwischen den Arten. Während die Orthologe der Chordatiere ähnliche Motivstrukturen aufweisen, zeigt das Fliegen-Ortholog eine abweichende Musterpräferenz. Diese Erkenntnisse verdeutlichen die evolutionären Verschiebungen in den Bindungsvorlieben von CTCF in pan-chordaten Linien. Zusammenfassend bietet diese Forschung wertvolle Einblicke in die evolutionäre Bewahrung und funktionelle Divergenz von CTCF-vermittelten Chromatin-Kontakten bei Bilaterien. Sie betont die Bedeutung artspezifischer Faktoren und koevolutionärer Dynamiken bei der Gestaltung der Chromatinorganisation und Genregulation. Weitere Untersuchungen an verschiedenen Arten sind entscheidend, um die Entstehung und Bewahrung der CTCF-vermittelten Chromatinarchitektur im Verlauf der Evolution genau zu verstehen. / The three-dimensional organization of animal genomes, known as topologically associating domains (TADs), is crucial for controlling gene activity. TADs are regions with increased genetic interactions, separated by zones with fewer contacts. In vertebrates, the formation of TADs involves a dynamic process called loop extrusion, where cohesin and CTCFs bind to the chromatin. This process creates chromatin loops, with cohesin complexes pausing when they encounter CTCF molecules in a specific orientation. However, although CTCF is highly conserved among bilaterian species, its vital role in organizing genomes spatially has not been observed in invertebrates like flies. This study investigates the chromatin structure in Ciona robusta, a chordate species situated evolutionarily between well-studied organisms like mice and fruit flies. A unique approach was developed to explore the evolution of CTCF as a mediator of three-dimensional chromatin organization. By swapping CTCF orthologs from representative species across the bilaterian group, the research examined their impact on viability, traits, gene expression, genome architecture, and binding patterns across the genome. The findings indicate that Ciona robusta, a non-vertebrate chordate, lacks typical TAD structures, even in the presence of CTCF. However, although the Ciona ortholog cannot create TADs in mouse embryonic stem cells, it can act as a transcription factor, restoring the expression of specific genes and viability in cases of complete CTCF loss. This suggests that CTCF serves a conserved role as a transcription regulator, beyond its recognized role as a structural component in some species. Furthermore, when the mouse ortholog of CTCF was introduced into the fruit fly genome, it failed to induce the formation of chromatin loops, suggesting that the vertebrate version of CTCF alone is insufficient for effective loop extrusion. Additionally, the study revealed subtle differences in CTCF's binding motif preferences between species. While chordate orthologs shared similar motif structures, the fly ortholog had a distinct pattern. These findings underscore the evolutionary changes in CTCF binding preferences among chordate lineages. In summary, this research offers valuable insights into the evolutionary preservation and functional differences in CTCF-mediated chromatin interactions in bilaterian species. It highlights the significance of species-specific factors and co-evolutionary dynamics in shaping chromatin organization and gene regulation.

Störungen der zirkadianen Uhr beeinflussen zelluläre Prozesse wie Transkription, Zellzyklus und Stoffwechsel und können Tumorentstehung fördern. Unsere Studien untersuchten die Auswirkungen solcher Störungen auf die Krebsentwicklung durch Herunterregulation oder Ausschalten von Kern-Uhrgenen wie BMAL1 (ARNTL), PER2 oder NR1D1. Wir verwendeten in vitro- und in vivo-Modellen mit Darmkrebszelllinien HCT116, SW480 und SW620. Diese Manipulationen veränderten die zirkadiane Expression von MYC, WEE1 und TP53 (wichtig für Zellzyklus und Apoptose) sowie MACC1 (verbunden mit epithelial-mesenchymaler Transition und Metastasierung). Diese Veränderungen beeinflussen Zellproliferation, Apoptose, Migration und Invasion. Das Ausschalten von NR1D1 verringerte die Zellbeweglichkeit in vitro und reduzierte die Mikrometastasenbildung in vivo, begleitet von geänderten SNAI1 und CD44-Expressionen. MACC1 wird in HCT116-Wildtypzellen zirkadian exprimiert, was nach dem Ausschalten der Kern-Uhrgene gestört war. Wir identifizierten außerdem eine MACC1-NR1D1-Protein-Interaktion, die eine neue Regulierungsachse bei der Darmkrebsprogression darstellt. Unsere Daten zeigen, dass MACC1-Modulation den zirkadianen Phänotyp und Krebsfortschritt beeinflusst. MACC1-Knockout reduzierte die BMAL1-Oszillationsperiode, während seine Überexpression den gegenteiligen Effekt hatte. Dieses Zusammenspiel unterstreicht die Komplexität der Mechanismen bei Darmkrebs und die Rolle der zirkadianen Uhr bei der Metastasierung. Unsere Ergebnisse heben die Rolle von Kern-Uhrgenen bei Krebsprozessen wie Migration und Invasion hervor und bieten Einblicke in das MACC1-zirkadiane Uhr-Zusammenspiel in Darmkrebs. Zukünftige Forschungen könnten chronotherapeutische Strategien entwickeln, um Krebsbehandlungen zu personalisieren und zu verbessern. / Disruptions of the circadian clock affect cellular processes like transcription, cell cycle, and metabolism, potentially triggering tumorigenesis. Our studies examined the effects of these disruptions on cancer by downregulating or knocking out core-clock genes BMAL1 (ARNTL), PER2, or NR1D1. For this, we used in vitro and in vivo models with colorectal cancer (CRC) cell lines HCT116, SW480, and SW620. Core-clock gene manipulations altered circadian expression of MYC, WEE1, TP53 (involved in cell cycle and apoptosis), and MACC1 (linked to epithelial-mesenchymal transition and metastasis formation), affecting proliferation, apoptosis, migration, and invasion. NR1D1 knockdown reduced cell motility in vitro and decreased micrometastasis formation in vivo, with altered SNAI1 and CD44 expression. Furthermore, we showed that MACC1 is circadian expressed in HCT116 wild-type cells, and that its rhythmic expression is disrupted after core-clock gene knockout. We also found MACC1-NR1D1 protein-protien interactions, suggesting a new regulatory axis in CRC progression. Our data show MACC1 modulation impacts the circadian clock phenotype and cancer progression. Remarkably, MACC1 knockout reduced BMAL1 promoter oscillation period, while its overexpression had the opposite effect. This interplay highlights the circadian clock complexity and its role in CRC metastasis. Our findings underscore vital roles for core-clock genes in cancer processes like migration and invasion, providing insights into MACC1-circadian clock interplay in CRC. Future research may develop chronotherapeutic strategies for more personalized and effective treatments.

Variationen in der Genexpression spielen eine zentrale Rolle bei der evolutionären Divergenz, die zur Speziation führt. Dies wird durch Veränderungen sowohl in nicht-kodierenden cis-wirkenden regulatorischen Elementen (CREs) wie Promotoren und Enhancern als auch in trans-wirkenden regulatorischen Elementen bestimmt. Veränderungen in den regulatorischen Sequenzen können Entwicklungsmuster verändern und wirken als eine der treibenden Kräfte der Evolution der Genexpression. Hier untersuche ich die Anwendung der Einzelzell-Multiomik in der evolutionären vergleichenden Genomik, wobei der Schwerpunkt auf den funktionellen Auswirkungen der Divergenz bei cis-regulatorischen Elementen liegt. Unter Verwendung von Hybrid-Embryonen von Drosophila melanogaster und sechellia generiere ich ein diploides Referenzgenom und führe allelspezifische Einzelzellanalysen von scRNA-seq und scATAC-seq durch. Zusammen können diese beiden komplimentären Ansätze einen integrativen Überblick über die Transkription und die Zugänglichkeit des Chromatins liefern, wodurch CREs identifiziert und mit allelspezifischen Veränderungen in den Genen, die sie regulieren, in Verbindung gebracht werden können. Die computergestützte Rekonstruktion verschiedener Zellidentitäten durch Clustering einzelner Zellen ermöglicht es uns auch zu untersuchen, wie sich das Allel-Ungleichgewicht während der Zelltyp-Spezifikation räumlich verändern kann. Im Gegensatz zu früheren Forschungsarbeiten stelle ich fest, dass Gene, die an der Entwicklung und Musterbildung beteiligt sind, ein unterschiedliches allelisches Ungleichgewicht in der Expression und Zugänglichkeit über die Zelltypen hinweg aufweisen. Diese Arbeit zeigt das Potenzial der Kombination von Einzelzell-Multiomik und artübergreifenden Vergleichen in der vergleichenden Genomik und wirft ein neues Licht auf die Rolle von cis-regulatorischen Elementen in der adaptiven Evolution. / Variation in gene expression plays a pivotal role in the evolutionary divergence that leads to speciation. This is determined by changes in both non-coding cis-acting regulatory elements (CREs) like promoters and enhancers, as well as trans-acting regulatory elements. Changes in regulatory sequences can alter developmental patterns, acting as one of the driving forces behind gene expression evolution. However, poor sequence conservation of CREs makes it challenging to identify them and link changes in regulatory sequences to new phenotypes. Here, I explore the application of single cell multiomics in evolutionary comparative genomics, with a focus on functional effects of divergence in cis-regulatory elements. Using hybrid embryos of Drosophila melanogaster and Drosophila sechellia, I generate a diploid reference genome and conduct single cell allele-specific analysis of scRNA-seq and scATAC-seq data. Together, these two assays can provide an integrative read-out of transcription and chromatin accessibility, allowing CREs to be identified and linked to allele-specific changes (allelic imbalance) in the genes they regulate. The computational reconstruction of different cell identities via single cell clustering also allows us to investigate how allelic imbalance may vary spatially during cell-type specification. In contrast to previous research, I find that genes involved in development and patterning display differential allelic imbalance in expression and accessibility across cell types. In addition, I investigate the role of neurodevelopmental allelic imbalance in the sechellia lineage and identify candidate genes for sechellia-specific adaptations. While highlighting current computational limitations, this thesis demonstrates the potential of combining single cell multiomics and cross-species comparisons in comparative genomics and shedding new light on the role of cis-regulatory elements and mechanisms of adaptive evolution.

Diese Arbeit stellt eine umfassende Reihe von Fallstudien zur Taxonomie, Systematik und Evolution von zwei sehr unterschiedlichen Gruppen von Süßwasserschnecken aus China zusammen, der Familie Viviparidae und der Überfamilie Truncatelloidea. Auf der Grundlage eines integrativen Ansatzes, der Morphologie, Anatomie, molekulare Methoden, Ökologie und Biogeographie kombiniert, liefert die vorliegende Arbeit eine Reihe systematischer Revisionen und die bisher vollständigste Liste gültiger Arten der Viviparidae aus China. Innerhalb der Viviparidae werden in der vorliegenden Arbeit zwei neue Gattungen, neun neue rezente Arten, eine neue fossile Art, 11 neue Kombinationen und ein neues Synonym vorgeschlagen. Die phylogenetische Position der neuen Taxa innerhalb der Viviparidae wird diskutiert. In Bezug auf die Truncatelloidea liefert die vorliegende Arbeit die erste fossil kalibrierte Phylogenie auf der Grundlage von fünf Genen, die die meisten existierenden Familien der Truncatelloidea abdeckt. Eine neue Familie, eine neue Gattung und zwei neue Arten, die alle in China endemisch sind, werden hier beschrieben. Die seit mehr als einem Jahrhundert verschollene sessile Süßwasserschnecke Helicostoa ist wiederentdeckt und hier erstmals systematisch untersucht worden. Neben ihrer sessilen Lebensweise im Süßwasser stellt die neue Helicostoa-Art einen der bemerkenswertesten Fälle von Sexualdimorphismus bei Mollusken dar. Die fossil kalibrierte Phylogenie der Truncatelloidea deutet darauf hin, dass die einzigartige schnecken aus dem Fuxian-See eine neue Art innerhalb einer neuen Familie, der Squamapicidae fam. nov., sein sollte. Die datierte Phylogenie zeigt, dass diese neue Familie ihren Ursprung im Tethys-Ozean während der späten Kreidezeit hat. Insgesamt werden in dieser Arbeit nicht nur viele Taxa der Süßwasserschnecken aus China revidiert und beschrieben, sondern es wird auch ein robusterer systematischer Rahmen für diese beiden alten Schneckengruppen geschaffen. / This thesis compiles a comprehensive set of case studies on the taxonomy, systematics and evolution of two most diverse groups of freshwater gastropods from China, family Viviparidae and superfamily Truncatelloidea. Based on an integrative approach combining morphology, anatomy, molecular methods, ecology and biogeography, the present thesis provides a series of systematic revisions and the most complete list of valid species of Viviparidae from China so far. Within Viviparidae, two new genera, nine new extant species, one new fossil species, 11 new combiniations and one new synonym are proposed in the present thesis. The phylogenetic position of the new taxa within Viviparidae is discussed based on molecular phylogenetic trees. With regard to Truncatelloidea, the present thesis provides the first fossil calibrated phylogeny based on five genes, covering most extant families of Truncatelloidea. One new family, one new genus and two new species all endemic to China are proposed herein. The sessile freshwater gastropod Helicostoa lost for more than a century is rediscovered and systematically studied for the first time. Besides its sessile life style in freshwater, the new species of Helicostoa represents one of the most remarkable cases of sexual dimorphism within molluscs. The fossil calibrated phylogeny of Truncatelloidea suggests that the unique freshwater microgastropod species from Fuxian Lake of China should be a new species of a new genus within a new family, Squamapicidae. fam. nov.. The dated phylogeny reveals that this new family of freshwater gastropods originated in the Tethys Ocean during the Late Cretaceous. This thesis not only revises and describes many taxa of Viviparidae and Truncatelloidea from China, but also provides a more robust systematic frameworks for these two ancient snail groups. It also reveals several interesting cases of species radiations and evolutionary innovations, which contribute to a better understanding of their evolution.