Auf der Basis von Fossilien wird angenommen, dass die ersten Säugetiere nachtaktiv waren. Diese Arbeit untersucht diese Hypothese mit bioinformatischen und molekularbiologischen Techniken. Der Fokus liegt auf dem Rhodopsin, ein Sehpigment im Wirbeltierauge, das für Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen verantwortlich ist. Zunächst wurde das Rhodopsin der monotrematen Echidna, einem basalen Säugetier, sequenziert und mit zwei Mutanten mit Mutationen an Positionen 158 und 169 in vitro exprimiert. Die biochemische und funktionelle Charakterisierung ergab, dass das Echidna-Rhodopsin farbpigment-typische Charakteristika aufweist, was auf eine Expression auch in Zapfen hindeutet. Dies ist die erste Charakterisierung eines Rhodopsins eines nachtaktiven Tieres. Dann wurden anzestrale Rhodopsinsequenzen für die Knotenpunkte Amniota, Mammalia und Theria mithilfe der Maximum-Likelihood-Methode berechnet. Die in vitro Expression und biochemische und funktionelle Charakterisierung zeigt funktionale und rhodopsin-typische Sehpigmente. Das Mammalia- und Theria-Rhodopsin zeigen eine hohe Meta II Halbwertszeit. Dieses Ergebnis wird als eventuelle Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen interpretiert, wobei, aufgrund von Unstimmigkeiten in der Literatur, Schlussfolgerungen auf ökologisch-bedingte Anpassungen basierend auf einzelnen Funktionstests problematisch sind, da die visuelle Signalkaskade ein sehr komplexes und durch viele Proteine vernetztes System darstellt. Zuletzt zeigen Selektionsanalysen, dass das Rhodopsin entlang der Theria-Linie positive Selektion auf nicht-synonyme Substitutionen erfahren hat, was zu Anpassungen in einem Protein führt. Der Fossilbericht belegt entlang dieser Linie mehrere Einnischungsevents in neue Lebensräume. Entlang der Mammalia-Linie wurde positive Selektion auf synonyme Substitutionen gemessen, was zu einer Zunahme an Rhodopsin-Molekülen führt und damit eine Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen darstellt. / Based on information from the fossil record, the first mammals are thought to have been nocturnal. This thesis investigates this popular hypothesis using bioinformatic and molecular techniques, focusing on the rhodopsin, a visual pigment in the vertebrate eye that is responsible for vision at low-light levels. First, the rhodopsin gene of the monotreme echidna, a basal mammal, was sequenced and successfully expressed in vitro, together with two mutants with substitutions at sites 158 and 169. Biochemical and functional analyses revealed that the echidna rhodopsin displays cone-like characteristics, likely due to being also expressed in cones. With the echidna being nocturnal, this thesis comprises the first characterisation of a rhodopsin of a nocturnal animal. Second, ancestral rhodopsin sequences for the tetrapod nodes Amniota, Mammalia, and Theria were inferred using Maximum likelihood estimates. All expressed pigments were successfully expressed in vitro, functional and rod-like. Mammalia and Theria rhodopsins display a high meta II half life time, a pattern that is usually interpreted to facilitate better vision at low-light levels. However, due to inconsistency in the available data, the result also suggests that, with the visual signaling cascade being a complex and interconnected system, erecting ecological interpretations based on single biochemical and functional reactions is problematic. Third, selective constraint analyses performed on a set of tetrapod rhodopsin sequences indicate that positive selection on non-synonymous sites, was acting along the branch leading to Theria. This result reflects the rapid diversification into modern ecological habitats during the Triassic and Jurassic, as indicated by the fossil record. In addition, positive selection on synonymous sites, leading to an increase of rhodopsin molecules, was found along the branch leading to Mammalia and suggests adaptations to vision at low-light levels.

Einleitung<br /> Säugetiere haben zwei verschiedene Arten von Fettgewebe: das weiße Fettgewebe, welches vorwiegend zur Lipidspeicherung dient, und das braune Fettgewebe, welches sich durch seine Fähigkeit zur zitterfreien Thermogenese auszeichnet. Weiße und braune Adipozyten sind beide mesodermalen Ursprungs. Die Mechanismen, die zur Entwicklung von Vorläuferzellen in den weißen oder braunen Fettzellphenotyp führen, sind jedoch unbekannt. Durch verschiedene experimentelle Ansätze konnte gezeigt werden, daß diese Adipocyten vermutlich durch die Differenzierung zweier Typen unterschiedlicher Vorläuferzellen entstehen: weiße und braune Preadipozyten. Von dieser Hypothese ausgehend, war das Ziel dieser Studie, die Genexpression weißer und brauner Preadipozyten auf Unterschiede systematisch zu analysieren.<br /> <br /> Methoden<br /> Die zu vergleichenden Zellen wurden aus primären Zellkulturen weißer und brauner Preadipozyten des dsungarischen Zwerghamsters gewonnen. „Representational Difference Analysis“ wurde angewandt, um potentiell unterschiedlich exprimierte Gene zu isolieren. Die daraus resultierenden cDNA Fragmente von Kandidatengenen wurden mit Hilfe der Microarraytechnik untersucht. Die Expression dieser Gene wurde in braunen und weißen Fettzellen in verschiedenen Differenzierungsstadien und in braunem und weißem Fettgewebe verglichen.<br /> <br /> Ergebnisse<br /> 12 Gene, die in braunen und weißen Preadipozyten unterschiedlich exprimiert werden, konnten identifiziert werden. Drei Komplement Faktoren und eine Fettsäuren Desaturase werden in weißen Preadipozyten höher exprimiert; drei Struktur Gene (Fibronectin, Metargidin und a Actinin 4), drei Gene verbunden mit transkriptioneller Regulation (Necdin, Vigilin und das „small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A“) sowie zwei Gene unbekannter Funktion werden in braunen Preadipozyten höher exprimiert. Mittels Clusteranalyse (oder Gruppenanalyse) wurden die gesamten Genexpressionsdaten charakterisiert. Dabei konnten die Gene in 4 typischen Expressionsmuster aufgeteilt werden: in weißen Preadipozyten höher exprimierte Gene, in braunen Preadipozyten höher exprimierte Gene, während der Differenzierung herunter regulierte Gene und während der Differenzierung hoch regulierte Gene.<br /> <br /> Schlußfolgerungen<br /> In dieser Studie konnte gezeigt werden, daß weiße und braune Preadipozyten aufgrund der Expression verschiedener Gene unterschieden werden können. Es wurden mehrere Kandidatengene zur Bestimmung weißer und brauner Preadipozyten identifiziert. Außerdem geht aus den Genexpressionsdaten hervor, daß funktionell unterschiedliche Gruppen von Genen eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von weißen und braunen Preadipozyten spielen könnten, wie z.B. Gene des Komplementsystems und der extrazellulären Matrix. / Introduction<br /> Mammals have two types of adipose tissue: the lipid storing white adipose tissue and the brown adipose tissue characterised by its capacity for non-shivering thermogenesis. White and brown adipocytes have the same origin in mesodermal stem cells. Yet nothing is known so far about the commitment of precursor cells to the white and brown adipose lineage. Several experimental approaches indicate that they originate from the differentiation of two distinct types of precursor cells, white and brown preadipocytes. Based on this hypothesis, the aim of this study was to analyse the gene expression of white and brown preadipocytes in a systematic approach. <br /> <br /> Experimental approach<br /> The white and brown preadipocytes to compare were obtained from primary cell cultures of preadipocytes from the Djungarian dwarf hamster. Representational difference analysis was used to isolate genes potentially differentially expressed between the two cell types. The thus obtained cDNA libraries were spotted on microarrays for a large scale gene expression analysis in cultured preadipocytes and adipocytes and in tissue samples.<br /> <br /> Results<br /> 4 genes with higher expression in white preadipocytes (3 members of the complement system and a fatty acid desaturase) and 8 with higher expression in brown preadipocytes were identified. From the latter 3 coded for structural proteins (fibronectin, metargidin and a actinin 4), 3 for proteins involved in transcriptional regulation (necdin, vigilin and the small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A) and 2 are of unknown function. Cluster analysis was applied to the gene expression data in order to characterise them and led to the identification of four major typical expression profiles: genes up-regulated during differentiation, genes down-regulated during differentiation, genes higher expressed in white preadipocytes and genes higher expressed in brown preadipocytes.<br /> <br /> Conclusion<br /> This study shows that white and brown preadipocytes can be distinguished by different expression levels of several genes. These results draw attention to interesting candidate genes for the determination of white and brown preadipocytes (necdin, vigilin and others) and furthermore indicate that potential importance of several functional groups in the differentiation of white and brown preadipocytes, mainly the complement system and extracellular matrix.

Ökomorphologische Konvergenz tritt auf, wenn Arten mit demselben Lebensstil unabhängig voneinander ähnliche morphologische Merkmale evolvieren. Neue Fallstudien können dabei helfen, die diesem Prozess zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären. Diese Arbeit befasst sich mit einigen konvergent evolvierten, langsamen, baumbewohnenden Säugetieren, d. h. zwei Linien baumlebender Faultieren, dem Zwergameisenbär, den Lorisiden, zwei Kladen ausgestorbener Lemuren, d. h. Paläopropithekiden und Megaladapis, und dem Koala. Es werden funktionsmorphologische Konvergenzen in diesen Taxa erforscht, indem ihr Humerus und ihr Femur sowie jene ihrer nah verwandten, aber ökologisch unterschiedlichen Taxa untersucht werden. Erstmals werden Knochen mittels phylogenetisch vergleichender Methoden auf vier anatomischen Ebenen, d.h. äußere Form, diaphysäre Mikrostruktur und Anatomie sowie epiphysäre Trabekelarchitektur, analysiert. Viele langsame, baumbewohnende Säugetiere teilen eine geringe kortikale Kompaktheit, was wahrscheinlich mit ihrer extrem niedrigen Stoffwechselrate und ihren biomechanischen Anforderungen zusammenhängt. Langsame, arboreale Xenarthra, d. h. baumbewohnende Faultiere und der Zwergameisenbär, weisen ein Muster unvollständiger Konvergenz für eine Reihe äußerer und innerer anatomischer Merkmale auf, was möglicherweise durch die relativ unterschiedliche Ökologie des Zwergameisenbären erklärt wird. Auf einer breiteren Säugetierskala konvergieren andere Merkmale, die möglicherweise mit der Ökologie der langsamen baumbewohnenden Lebensweise in einigen der untersuchten Taxa zusammenhängen, obwohl komplexe Muster auch durch andere evolutionäre Prozesse erklärt werden können. Nur suspensorisch lebende Taxa tragen signifikant zur Konvergenz bei. Diese Arbeit hebt die stärkere Konvergenz hervor, die sich in der inneren Struktur des Knochens widerspiegelt. / Ecomorphological convergence occurs when similar morphological traits are independently evolved by species with the same lifestyle. Novel case studies can help to elucidate the underlying mechanisms of this process. This work addresses some convergent slow arboreal mammals, i.e. two lineages of ‘tree sloths’, the silky anteater, ‘Lorisidae’, two clades of extinct lemurs, i.e. palaeopropithecids and Megaladapis, and the koala. Functional morphological convergences are searched in these taxa, studying their humerus and femur as well as those of their closely related ecologically distinct taxa. For the first time, bones are analyzed at four anatomical levels, i.e. external shape, diaphyseal microstructure and anatomy and epiphyseal trabecular architecture, through phylogenetic comparative methods. Many slow arboreal mammals share a low cortical compactness, probably related to their extremely low metabolic rate and biomechanical demands. Slow arboreal xenarthrans, i.e. ‘tree sloths’ and the silky anteater, exhibit a pattern of incomplete convergence for a set of external and internal anatomical features, possibly explained by the relatively distinct ecology of the silky anteater. On a wider mammalian scale, other traits possibly related to slow arboreal ecology converge in some of the studied taxa, although with complex patterns also explained by other evolutionary processes. Only suspensory taxa significantly contribute to convergence. This thesis highlights the stronger convergence reflected by bone internal structure. By providing potential explanations for convergence in slow arboreal mammals, the inherent complexity of this process is here emphasized.

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Die embryonale Gonade ist bei Säugetieren das einzige bipotente Organ, das sich während der Geschlechtsbestimmung in Hoden oder Eierstock differenziert. Nach der Spezifikation produziert sie geschlechtsspezifische Hormone, die wichtige morphologische, physiologische und Verhaltensänderungen auslösen und schließlich zu reifen Fortpflanzungsorganen führen, die für die Fortpflanzung der Art unerlässlich sind. Trotz der evolutionären Bedeutung der Gonadenfunktion gibt es erhebliche Entwicklungsunterschiede zwischen den Arten, deren molekulare Mechanismen weitgehend unerforscht sind. Zur Untersuchung dieser Mechanismen wurden Einzelzell-Omics-Techniken (scRNA- und scATAC-seq) an sich entwickelnden Gonaden eingesetzt, um molekulare Faktoren für interspezifische Unterschiede während der Geschlechtsdifferenzierung zu analysieren. Bekannte Zelltypen wurden in Hoden und Eierstöcken von Schweinen (mit medullären Strängen), Mäusen (ohne medulläre Stränge), Kaninchen (mit verzögerter Meiose der Keimzellen) und Maulwürfen (mit Ovotestes) zu geschlechtsdimorphen Zeitpunkten charakterisiert. Interartspezifische Vergleiche zeigten sowohl konservierte als auch artspezifische Ereignisse auf den Ebenen der dynamischen Genexpression, Co-Expressionsnetzwerke und zellulären Kommunikation. Expressionsdaten wurden mit epigenomischen Daten integriert, um genregulatorische Netzwerke (GRNs) abzuleiten und die regulatorischen Mechanismen zu klären. Analysen zeigten die Einbeziehung artenspezifischer Transkriptionsfaktoren in konservierte GRNs und identifizierten mutmaßliche cis-regulatorische Elemente, die mit artspezifisch exprimierten Genen verknüpft sind. Die Studie legt nahe, dass unterschiedliche Kontrollmechanismen die Meiose in ovariellen Keimzellen über Arten hinweg initiieren und dass der Metabolismus steroidogener Enzyme zu einzigartigen Entwicklungsmerkmalen bei Kaninchen beitragen könnte. / In mammals, the embryonic gonad is the only bipotential organ, differentiating into either testis or ovary during sex determination. Once specified, it produces sex-specific hormones that induce key morphological, physiological, and behavioral changes, leading to mature reproductive organs essential for species perpetuation. Despite the evolutionary importance of gonadal function, significant developmental plasticity exists across species, with underlying molecular mechanisms largely unexplored. To address this, single-cell omics techniques (scRNA- and scATAC-seq) were employed on developing gonads to investigate molecular contributors to interspecies differences during sex differentiation. Known cell types were characterized in testes and ovaries of pigs (exhibiting medullary cords), mice (lacking medullary cords), rabbits (displaying delayed meiosis of germ cells), and moles (forming ovotestes) at sexually dimorphic time points. Interspecies comparative analyses revealed both conserved and species-specific events at the levels of dynamic gene expression, co-expression networks, and cellular communication. Expression data were integrated with epigenomic data to infer gene regulatory networks (GRNs), clarifying regulatory mechanisms governing these events. Analyses revealed species-specific transcription factors in conserved GRNs and identified putative cis-regulatory elements linked with species-specific expressed genes. The study suggests diverse controls initiate meiosis in ovarian germ cells across species and that steroidogenic enzyme metabolism may contribute to unique developmental features in rabbits. Overall, this study advances the understanding of mammalian gonad differentiation and highlights how gene expression program evolution has contributed to mammalian phenotype diversity.

Die Hauptursachen für die derzeitige weltweite Krise der biologischen Vielfalt sind Lebensraumzerstörung und Übernutzung. Wir wissen jedoch nicht, wie sich diese beiden Faktoren einzeln und zusammen auf die verschiedenen Aspekte biologischer Vielfalt auswirken und wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. Da beide Bedrohungen weit verbreitet sind, verhindern dies die Entwicklung wirksamer Schutzstrategien. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war räumliche und zeitliche Veränderungsmuster der Auswirkungen von Lebensraumzerstörung und Übernutzung auf die biologische Vielfalt zu verstehen. Ich habe diese Bedrohungsgeographien mit hoher räumlicher Auflösung und über drei Jahrzehnte hinweg für verschiedene Aspekte biologischer Vielfalt untersucht: Arten, Lebensgemeinschaften und taxonomische, phylogenetische und funktionale Facetten biologischer Vielfalt. Ich konzentrierte mich auf den 1,1 Millionen km² großen Gran Chaco, den größten tropischen Trockenwald der Welt und einen globalen Entwaldungs-Hotspot. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich im Laufe von 30 Jahren die räumlichen Auswirkungen der einzelnen Bedrohungen auf größere Gebiete ausdehnten als nur auf die abgeholzte Fläche. Dies führte zu einem Verlust an hochwertigen und sicheren Gebieten für den Jaguar, die gesamte Großsäugergemeinschaft und alle Facetten der Säugetiervielfalt. Beide Bedrohungen trugen wesentlich zum Rückgang biologischer Vielfalt bei, ihre relative Bedeutung variierte jedoch je nach Art und Facette der biologischen Vielfalt. Zudem haben die Gebiete, in denen beide Bedrohungen zusammenwirken, im Laufe der Zeit zugenommen, was den Verlust der biologischen Vielfalt wahrscheinlich noch verschlimmert hat. Diese Arbeit unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen mehrerer Bedrohungen im Laufe der Zeit gemeinsam zu bewerten, um den menschlichen Einfluss auf die biologische Vielfalt besser verstehen zu können und wirksame Schutzstrategien zu finden. / The main drivers of the current global biodiversity crisis are habitat destruction and overexploitation. Yet, we lack understanding of their individual and combined spatial impact on different aspects of biodiversity, and how they change over time. Because both threats are common, these knowledge gaps preclude building more effective conservation strategies. The overarching goal of this thesis was to understand how the impacts of habitat destruction and overexploitation on biodiversity change in space and over time. I assessed these geographies of threat at high spatial resolutions and over three decades for different biodiversity aspects: species, communities, and the taxonomic, phylogenetic, and functional facets of biodiversity. I focused on the 1.1 million km² Gran Chaco, the largest tropical dry forest globally, and a global deforestation hotspot. Results reveal that over 30 years, the spatial impacts of each threat expanded over larger areas than the area deforested. This resulted in widespread losses of high-quality and safe areas for the jaguar, the entire larger mammal community and for all facets of the mammalian diversity. Such declines suggest a generalized biotic impoverishment that includes the loss of species, evolutionary history, and ecological functions across much of the Chaco. Both threats contributed substantially to biodiversity declines, and their relative importance varied among species and biodiversity facets. Moreover, the areas where both threats synergize increased over time, likely exacerbating biodiversity losses. For each biodiversity aspect, I identified priority areas of safe and high-quality habitats, and hotspots of high threat impacts, which could guide more effective complementary proactive and reactive conservation strategies. This thesis highlights the importance of jointly assessing the impact of multiple threats over time to better understand the impact of humans on biodiversity and to identify effective ways to mitigate them. / Los principales factores de la actual crisis de la biodiversidad global son la destrucción del hábitat y la sobreexplotación. Sin embargo, desconocemos su impacto espacial, tanto individual como combinado, sobre los diferentes aspectos de la biodiversidad, y cómo cambian en el tiempo. Como ambas amenazas son comunes, estos vacíos de conocimiento impiden elaborar estrategias de conservación más eficaces. El objetivo general de esta tesis fue comprender cómo los impactos de la destrucción del hábitat y la sobreexplotación en la biodiversidad cambian en el espacio y en el tiempo. Evalué estas geografías de las amenazas a altas resoluciones espaciales y a lo largo de tres décadas para diferentes aspectos de la biodiversidad: especies, comunidades y las facetas taxonómica, filogenética y funcional de la biodiversidad. Me centré en el Gran Chaco, de 1,1 millones de km², el mayor bosque seco tropical del mundo y un foco global de deforestación. Los resultados revelan que, a lo largo de 30 años, los impactos espaciales de cada una de las amenazas se extendieron por areas mayores que la superficie deforestada. Esto dio lugar a pérdidas extendidas de áreas seguras y de alta calidad para el jaguar, la comunidad de mamíferos grandes y para todas las facetas de la diversidad de mamíferos. Estos declives sugieren un empobrecimiento biótico generalizado que incluye la pérdida de especies, historia evolutiva y funciones ecológicas en gran parte del Chaco. Ambas amenazas contribuyeron sustancialmente al declive de la biodiversidad, y su importancia relativa varió entre especies y facetas de la biodiversidad. Además, las áreas en las que ambas amenazas sinergizan aumentaron en el tiempo, probablemente exacerbando las pérdidas de biodiversidad. Para cada aspecto de la biodiversidad, identifiqué áreas prioritarias de hábitats seguros y de alta calidad, y focos de alto impacto de las amenazas, que podrían orientar estrategias de conservación complementarias más eficaces, tanto proactivas como reactivas. Esta tesis destaca la importancia de evaluar conjuntamente el impacto de múltiples amenazas a lo largo del tiempo para comprender mejor el impacto de los humanos en la biodiversidad e identificar vías eficaces para mitigarlas.