Die Geschlechtsbestimmung bei Säugetieren erfolgt über gegensätzliche Netzwerke von ovariellen und testikulären Genen, die recht gut charakterisiert sind. Die epigenetischen Mechanismen, insbesondere diejenigen, die die 3D-Chromatinorganisation beeinflussen, sind jedoch größtenteils unbekannt. Ich habe die 3D-Chromatinlandschaft der Geschlechtsbestimmung in vivo untersucht, indem ich FACS-sortierte embryonale Mausgonadenpopulationen vor und nach der Geschlechtsbestimmung in beiden Geschlechtern analysierte. Dabei wurde eine begrenzte Variation in der dreidimensionalen Chromatindynamik beobachtet, insbesondere bei den Topologically Associating Domains (TADs). Konventionelle Hi-C-Analysemethoden sind hauptsächlich auf vordefinierte 3D-Strukturen ausgerichtet und könnten potenziell andere Veränderungen in der Chromatinorganisation übersehen, die für die Genregulation relevant sein könnten. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde METALoci eingesetzt - ein innovatives Werkzeug, das Hi-C- und ChIP-seq-Daten integriert und räumliche Autokorrelationsanalyse nutzt, um dreidimensionale Enhancer-Hubs im gesamten Genom zu identifizieren. METALoci zeigte eine deutliche Umverdrahtung von Chromatininteraktionen während der Geschlechtsbestimmung, die die regulatorischen Landschaften von Hunderten von Genen beeinflusste. Darüber hinaus führte die Vorhersagekraft von METALoci in Kombination mit funktionalen Validierungen an transgenen Mäusen zur Identifizierung eines neuen Fgf9-regulatorischen Hubs. Die Deletion dieses Hubs führte zu teilweisem Geschlechtsumkehr von männlich zu weiblich, mit einer Hochregulierung ovarieller spezifischer Marker und der Einleitung der Meiose. So erweist sich die räumliche Autokorrelationsanalyse als eine effektive Strategie zur Identifizierung von regulatorischen Netzwerken, die mit biologischen Prozessen verbunden sind, und zur anschließenden Charakterisierung der funktionalen Rolle des dreidimensionalen Genoms. / Mammalian sex is determined by opposing networks of ovarian and testicular genes that are relatively well characterized. Yet, the epigenetic mechanisms governing sex determi- nation, in particular those involving 3D chromatin organization, remain largely unknown. This gap of knowledge constrains our understanding of a fundamental process for species reproduction and perpetuation. Here, I explored the 3D chromatin landscape of sex deter- mination in vivo, by profiling FACS-sorted embryonic mouse gonadal populations, prior and after sex determination, in both sexes. Using conventional Hi-C analysis tools, limited variation in the 3D chromatin dynamics was observed, especially at the level of Topolog- ically Associating Domains (TADs). This contrasts with the broad transcriptional differ- ences occurring during sex determination. Yet, conventional Hi-C analysis methodologies are largely focused on predefined 3D structures, potentially overlooking other types of changes in chromatin organization that might be relevant for gene regulation. To ad- dress these limitations, METALoci was applied- an innovative tool that integrates Hi-C and ChIP-seq data and relies on spatial auto-correlation analysis to identify 3D enhancer hubs distributed throughout the genome. METALoci uncovered a prominent rewiring of chromatin interactions during sex determination, affecting the regulatory landscapes of hundreds of genes. Furthermore, METALoci ’s predictive capacity, in combination with functional validations in transgenic mice led to the identification of a novel Fgf9 regulatory hub, which deletion resulted in partial male-to-female sex reversal with the upregulation of ovarian-specific markers and the initiation of meiosis. Thus, spatial auto-correlation anal- ysis proves to be an effective strategy to identify regulatory networks linked to biological processes and to subsequently characterize the functional role of the 3D genome.

The in ovo sexing of chicken eggs is a current task and a prerequisite to overcome the mass killing of male day-old chicks from laying lines. Although various methods have been developed and tested in recent years, practicable methods for sex determination are still missing which can be applicated in poultry hatcheries before the chicken embryo is capable of nociception and pain sensation. Optical spectroscopic methods enable an early determination of the sex. In this study, a novel method based on two-wavelength in ovo fluorescence excitation is described. More than 1600 eggs were examined. In ovo fluorescence was sequentially excited at 532 nm and 785 nm. The fluorescence intensities of the spectral regions behave inversely with respect to sex. It is shown that the observed sex-related differences in the fluorescence intensities are based on the embryonic hemoglobin synthesis. The accuracy of sex determination is 96% for both sexes. The hatching rate is not reduced compared to an equivalent reference group.

In teleosts, elevated temperature during embryogenesis can act on germline cell development, which in turn plays a role for sexual fate. In Nile tilapia, a species with high-temperature-induced masculinization, little is known about the effects of increased temperature on gonadal development in non-masculinized females. The aim of the present work was to investigate persistent effects on the germline of genetically female (XX) Nile tilapia reared at normal (28 ° C) or elevated temperature (36°C) during the critical time of gonadal sex differentiation at 10 to 20 days post fertilization. Nonsex-reversed females were compared to control females to determine persistent effects of temperature on subsequent ovarian development using histological approaches. Germline stem cells were identified using the germline marker Vasa in combination with the proliferation marker PCNA. Vasa- and PCNA-positive germline stem cells were found in ovaries of both high-temperature-treated and control females. In both groups, ovarian germline stem cells were located at the germinal epithelium of the ovigerous lamellae. Although no detrimental effects of high temperature on gonadal development in female Nile tilapia were observed, implications on the reproductive fitness caused by elevated temperature need to be investigated in greater depth.

Die weltweit mehr als 7500 Amphibienarten sind durch anthropogene Ursachen wie Habitatzerstörung, Krankheitsverbreitung, Klimawandel und Umweltverschmutzung in ihrem Bestand bedroht. Einige der Ursachen sind kaum erforscht, so die Verschmutzung aquatischer Ökosysteme durch endokrine Disruptoren (EDs), Substanzen, die mit dem Hormonsystem interagieren. Ausgehend von neuen molekularen Markern, welche die Ermittlung des genetischen Geschlechts erstmals bei einigen Hyliden und Bufoniden erlauben, wurde in der vorliegenden Arbeit auf die Wirkung des synthetischen Östrogens 17α- Ethinylestradiol (EE2)und des Weichmachers Bisphenol A (BPA) fokussiert. Für drei Bufonidenarten wurde zunächst die Geschlechtsgebundenheit von Mikrosatelliten getestet und ein XX/XY-System nachgewiesen. Diese und bereits etablierte Marker wurden anschließend in ein neu entwickeltes Versuchsdesign für ED-Studien integriert: Nach gleichzeitiger Aufzucht von Modell- (Xenopus laevis) und Nicht-Modell-Arten (Hyla arborea, Bufo viridis) unter EE2- bzw. BPA- Exposition wurde das genetische Geschlecht bestimmt und mit dem anatomisch und histologisch ermittelten phänotypischen Geschlecht erglichen. Die drei Anuren zeigten starke Empfindlichkeitsunterschiede gegenüber beiden EDs. Umweltrelevante Konzentrationen beeinflussten die somatische Entwicklung und führten zu artspezifischen Gonaden-Fehlbildungen. EE2 bewirkte zahlreiche partielle und komplette Geschlechtsumwandlungen, mit stärkeren Effekten bei X. laevis. Diese Arbeit zeigt somit, dass bereits niedrige EE2- und BPA-Konzentrationen zu starken Schädigungen führen können und die Substanzen aufgrund ihrer erheblichen aquatischen Präsenz als ernstzunehmende Faktoren der Amphibienkrise anzusehen sind. Die Ermittlung des genetischen Geschlechts wird als wichtig eingestuft, um verlässliche Aussagen über ED-Effekte zu treffen. Zudem sollten an der Modell-Art X. laevis gewonnene Erkenntnisse nicht vorbehaltlos auf andere Amphibienarten extrapoliert werden. / The more than 7500 known amphibian species are globally threatened, mainly due to anthropogenic causes like habitat destruction, dispersing diseases, climate change and environmental pollution. Some of the causes are barely investigated, e.g. the pollution of aquatic ecosystems with endocrine disrupting compounds (EDCs), substances that interfere with the hormone system. Based on new molecular markers, for the first time allowing genetic sexing in some hylids and bufonids, this thesis focused on the effects of the synthetic estrogen 7α-ethinylestradiol(EE2) and the plasticizer bisphenol A (BPA). Initially, several microsatellite markers were tested for sex-linkage in three bufonid species, and an XX/XY system could be revealed. Subsequently, these and other established markers were integrated into a newly developed experimental design for EDC-research: after simultaneous exposure of model (Xenopus laevis) and non-model species (Hyla arborea, Bufo viridis) to EE2 or BPA, metamorphs were genetically sexed. Anatomically and histologically determined phenotypic sexes were directly compared with the genetic sex of each individual. The three anurans showed striking differences in their susceptibilities in both EDCexperiments. Environmentally relevant concentrations affected the somatic development and led to species-specific gonadal anomalies. In addition, EE2 provoked high numbers of mixed sex and completely sex-reversed individuals, with more pronounced effects in X. laevis than in the two non-model species. This work shows that low concentrations of EE2 and BPA lead to severe damages. Due to their widespread presence in the aquatic environment, these substances might contribute to the worldwide amphibian crisis. To produce reliable results in EDC-studies, genetic sexing is considered important. Furthermore, findings gained with the model species X. laevis should not unreservedly be extrapolated to other amphibian species.