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Mitochondria and chloroplasts are of endosymbiotic origin. Their integration into cells entailed the development of protein translocons, partially by recycling bacterial proteins. We demonstrate the evolutionary conservation of the translocon component Tic22 between cyanobacteria and chloroplasts. Tic22 in Anabaena sp. PCC 7120 is essential. The protein is localized in the thylakoids and in the periplasm and can be functionally replaced by a plant orthologue. Tic22 physically interacts with the outer envelope biogenesis factor Omp85 in vitro and in vivo, the latter exemplified by immunoprecipitation after chemical cross-linking. The physical interaction together with the phenotype of a tic22 mutant comparable with the one of the omp85 mutant indicates a concerted function of both proteins. The three-dimensional structure allows the definition of conserved hydrophobic pockets comparable with those of ClpS or BamB. The results presented suggest a function of Tic22 in outer membrane biogenesis.
Background: Although Tic22 is involved in protein import into chloroplasts, the function in cyanobacteria is unknown.
Results: Cyanobacterial Tic22 is required for OM biogenesis, shares structural features with chaperones, and can be substituted by plant Tic22.
Conclusion: Tic22, involved in outer membrane biogenesis, is functionally conserved in cyanobacteria and plants.
Significance: The findings are important for the understanding of periplasmic protein transport.
Lantibiotics are peptide-derived antibiotics that inhibit the growth of Gram-positive bacteria via interactions with lipid II and lipid II-dependent pore formation in the bacterial membrane. Due to their general mode of action the Gram-positive producer strains need to express immunity proteins (LanI proteins) for protection against their own lantibiotics. Little is known about the immunity mechanism protecting the producer strain against its own lantibiotic on the molecular level. So far, no structures have been reported for any LanI protein. We solved the structure of SpaI, a LanI protein from the subtilin producing strain Bacillus subtilis ATCC 6633. SpaI is a 16.8-kDa lipoprotein that is attached to the outside of the cytoplasmic membrane via a covalent diacylglycerol anchor. SpaI together with the ABC transporter SpaFEG protects the B. subtilis membrane from subtilin insertion. The solution-NMR structure of a 15-kDa biologically active C-terminal fragment reveals a novel fold. We also demonstrate that the first 20 N-terminal amino acids not present in this C-terminal fragment are unstructured in solution and are required for interactions with lipid membranes. Additionally, growth tests reveal that these 20 N-terminal residues are important for the immunity mediated by SpaI but most likely are not part of a possible subtilin binding site. Our findings are the first step on the way of understanding the immunity mechanism of B. subtilis in particular and of other lantibiotic producing strains in general.
DNA translocators of natural transformation systems are complex systems critical for the uptake of free DNA and provide a powerful mechanism for adaptation to changing environmental conditions. In natural transformation machineries, outer membrane secretins are suggested to form a multimeric pore for the uptake of external DNA. Recently, we reported on a novel structure of the DNA translocator secretin complex, PilQ, in Thermus thermophilus HB27 comprising a stable cone and cup structure and six ring structures with a large central channel. Here, we report on structural and functional analyses of a set of N-terminal PilQ deletion derivatives in T. thermophilus HB27. We identified 136 N-terminal residues exhibiting an unusual ααβαββα fold as a ring-building domain. Deletion of this domain had a dramatic effect on twitching motility, adhesion, and piliation but did not abolish natural transformation. These findings provide clear evidence that the pilus structures of T. thermophilus are not essential for natural transformation. The truncated complex was not affected in inner and outer membrane association, indicating that the 136 N-terminal residues are not essential for membrane targeting. Analyses of complex formation of the truncated PilQ monomers revealed that the region downstream of residue 136 is required for multimerization, and the region downstream of residue 207 is essential for monomer stability. Possible implications of our findings for the mechanism of DNA uptake are discussed.
Membrane-embedded β-barrel proteins are found in the outer membranes (OM) of Gram-negative bacteria, mitochondria and chloroplasts. In eukaryotic cells, precursors of these proteins are synthesized in the cytosol and have to be sorted to their corresponding organelle. Currently, the signal that ensures their specific targeting to either mitochondria or chloroplasts is ill-defined. To address this issue, we studied targeting of the chloroplast β-barrel proteins Oep37 and Oep24. We found that both proteins can be integrated in vitro into isolated plant mitochondria. Furthermore, upon their expression in yeast cells Oep37 and Oep24 were exclusively located in the mitochondrial OM. Oep37 partially complemented the growth phenotype of yeast cells lacking Porin, the general metabolite transporter of this membrane. Similarly to mitochondrial β-barrel proteins, Oep37 and Oep24 expressed in yeast cells were assembled into the mitochondrial OM in a pathway dependent on the TOM and TOB complexes. Taken together, this study demonstrates that the central mitochondrial components that mediate the import of yeast β-barrel proteins can deal with precursors of chloroplast β-barrel proteins. This implies that the mitochondrial import machinery does not recognize signals that are unique to mitochondrial β-barrel proteins. Our results further suggest that dedicated targeting factors had to evolve in plant cells to prevent mis-sorting of chloroplast β-barrel proteins to mitochondria.
The role of TolC has largely been explored in proteobacteria, where it functions as a metabolite and protein exporter. In contrast, little research has been carried out on the function of cyanobacterial homologues, and as a consequence, not much is known about the mechanism of cyanobacterial antibiotic uptake and metabolite secretion in general. It has been suggested that the TolC-like homologue of the filamentous, heterocyst-forming cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120, termed heterocyst glycolipid deposition protein D (HgdD), is involved in both protein and lipid secretion. To describe its function in secondary metabolite secretion, we established a system to measure the uptake of antibiotics based on the fluorescent molecule ethidium bromide. We analyzed the rate of porin-dependent metabolite uptake and confirmed the functional relation between detoxification and the action of HgdD. Moreover, we identified two major facilitator superfamily proteins that are involved in this process. It appears that anaOmp85 (Alr2269) is not required for insertion or assembly of HgdD, because an alr2269 mutant does not exhibit a phenotype similar to the hgdD mutant. Thus, we could assign components of the metabolite efflux system and describe parameters of detoxification by Anabaena sp. PCC 7120.
The Wood-Ljungdahl pathway of anaerobic CO(2) fixation with hydrogen as reductant is considered a candidate for the first life-sustaining pathway on earth because it combines carbon dioxide fixation with the synthesis of ATP via a chemiosmotic mechanism. The acetogenic bacterium Acetobacterium woodii uses an ancient version of the pathway that has only one site to generate the electrochemical ion potential used to drive ATP synthesis, the ferredoxin-fueled, sodium-motive Rnf complex. However, hydrogen-based ferredoxin reduction is endergonic, and how the steep energy barrier is overcome has been an enigma for a long time. We have purified a multimeric [FeFe]-hydrogenase from A. woodii containing four subunits (HydABCD) which is predicted to have one [H]-cluster, three [2Fe2S]-, and six [4Fe4S]-clusters consistent with the experimental determination of 32 mol of Fe and 30 mol of acid-labile sulfur. The enzyme indeed catalyzed hydrogen-based ferredoxin reduction, but required NAD(+) for this reaction. NAD(+) was also reduced but only in the presence of ferredoxin. NAD(+) and ferredoxin reduction both required flavin. Spectroscopic analyses revealed that NAD(+) and ferredoxin reduction are strictly coupled and that they are reduced in a 1:1 stoichiometry. Apparently, the multimeric hydrogenase of A. woodii is a soluble energy-converting hydrogenase that uses electron bifurcation to drive the endergonic ferredoxin reduction by coupling it to the exergonic NAD(+) reduction.
Die soziale Arbeitsteilung bei Honigbienen ist ein komplexes selbstorganisatorisches System, welches auf zwei Ebenen der biologischen Organisation zu verorten ist: dem Individuum und der Kolonie. Die Regulation der Bruttemperatur ist ebenfalls diesen Gesetzmäßigkeiten unterworfen. Die Arbeits-bereitschaft einzelner Bienen bildet die Grundlage für die Temperaturregulierung des kolonialen Brutnestes.
In dieser Arbeit wird dieses Zusammenspiel aus individuellen Beteiligungen der Arbeiterinnen sowie der erbrachten Gesamtleistung der Kolonie während des Brutwärmens untersucht. Dazu wird eine kleine Bienengruppe auf einer Brutwabe einer thermischen Belastung ausgesetzt. Ein speziell für diese Untersuchungen entwickelter Versuchsaufbau integriert erstmals die Infrarot-Thermografie mit den Temperaturmessungen einer Brutfläche. Somit ist es möglich, die Thoraxtemperaturen der einzelnen, am Brutwärmen beteiligten Arbeiterinnen störungsfrei zu messen und gleichzeitig das erzeugte räumliche und zeitliche Temperaturmuster der Brutwabe zu ermitteln. Zusätzlich wird der Temperaturverlauf der Außentemperatur sowie der zellumgebenden Luft untersucht.
Es kann gezeigt werden, dass die Lufttemperatur im Innenraum eines Bienenstocks ein wichtiger Faktor in der Temperaturregulierung des Brutnestes ist, da sie die untere Temperaturgrenze im Bienenstock bildet. Weiterhin wird der Einfluss der brutwärmenden Arbeiterinnen auf die Temperaturentwicklung einer Brutfläche sichtbar. Durch das flexible Verhalten der Arbeiterinnen kann einer Brutfläche bei thermischer Belastung durch lokal wechselndes Brutwärmen optimal Wärme zugeführt werden. Es gibt es Hinweise auf eine zyklische Periodizität im zeitlichen Temperaturverlauf der Brutzellen, welche auf einen Brutwärmrhythmus durch die Bienen schließen lässt. Durch den Einsatz zweier Unterarten (Apis mellifera carnica & Apis mellifera mellifera) wird sichtbar, dass es zwischen den Gruppen Unterschiede in der Aufrechterhaltung der Lufttemperatur über der Wabe gibt.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle der i-AAA Protease in P. anserina, besonders während des Alterns des Ascomyceten. Die dazu durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:
1. Unter Standardbedingungen ist der PaIap-Deletionsstamm langlebiger als der Wildstamm, ohne feststellbare physiologische Beeinträchtigungen aufzuweisen. Dass dies auf den Verlust von PaIap zurückzuführen ist, bestätigen die PaIap-Revertantenstämme, in denen das Gen wieder eingeführt wurde, wodurch deren Lebensspanne wieder Wildtyp-artig ist. Dies zeigt, dass PaIAP zelluläre Prozesse beeinflusst, die die Lebensspanne kontrollieren.
2. Bei Hitzestress weist der PaIap-Deletionsstamm dagegen eine höhere Hitzesensitivität auf als der Wildstamm, was sich in einer verkürzten Lebensspanne und der Störung vitaler Funktionen äußert. Dies deutet auf eine mögliche Rolle von PaIAP bei der Hitzestressantwort hin.
3. Im Einklang mit dem hitzesensitiven Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms konnte in mitochondrialen Extrakten des Wildtyps gezeigt werden, dass die Proteinmenge von PaIAP durch Hitzestress signifikant zunimmt. Gleichzeitig weisen mitochondriale Proteinextrakte von PaIap-Deletionsstämmen nach Hitzestress signifikant geringere Mengen an PaHSP60 und PaCLPP auf, zwei weiteren Komponenten der mitochondrialen Proteinqualitätskontrolle. Dies unterstreicht die Beteiligung von PaIAP an der Hitzestressantwort von P. anserina.
4. Darüber hinaus beeinflusst der Verlust von PaIap die Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette und führt bei 27°C zu einer vermehrten Organisation der Komplexe in stabilere Superkomplexe. Dieser Mechanismus wird beim Wildstamm erst nach Hitzestress beobachtet, wogegen der PaIap-Deletionsstamm die Superkomplexmenge nicht mehr weiter steigern kann.
5. Die Genexpression von proteolytisch inaktiven Varianten von PaIAP (PaIAPE540Q bzw. PaIAPE540QG) kann den Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms bei 27°C nicht komplementieren und führt ebenfalls zu einer Verlängerung der Lebensspanne von P. anserina. Dies liefert wichtige Informationen über den Mechanismus wie PaIAP die Lebensspanne von P. anserina beeinflusst, da dazu die proteolytische Aktivität von PaIAP benötigt wird.
6. Darüber hinaus zeigt die Analyse des PaIap/PaClpP-Deletionsstamms, dass sich die Mechanismen, wie PaIAP und PaCLPP die Lebensspanne von P. anserina beeinflussen, unterscheiden. Die unterschiedlichen zellulären Aufgaben werden auch bei Hitzestress deutlich, wovon der PaIap/PaClpP-Deletionsstamm noch stärker betroffen ist als durch die Deletion von PaIap bzw. PaClpP. Dies verdeutlicht, dass sich die Effekte der Deletionen der beiden Gene addieren.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die i-AAA Protease PaIAP auch bei P. anserina wichtige zelluläre Funktionen besitzt, die sich auf den Alterungsprozess des Ascomyceten auswirken. Dabei war es möglich verschiedene neue Mechanismen zu identifizieren, wie die i-AAA Protease diese Funktionen ausübt. Dazu gehören z.B. der Einfluss der proteolytischen Aktivität auf die Lebensspanne, die durch die Abwesenheit der i-AAA Protease ausgelöste Reorganisation der Atmungskettenkomplexe in stabile Superkomplexe, und die Induktion der Hitzestressantwort durch PaIAP. Diese Befunde tragen zum besseren Verständnis der zellulären Funktion der i-AAA Protease bei und stellen einen entscheidenden Ausgangspunkt für weiterführende Analysen der bislang wenig verstandenen Aufgaben der Protease dar.
Es gibt viele Theorien, die sich mit der Auswirkung einer zunehmenden carnivoren Ernährung von Homininen auf Carnivorengilden beschäftigen. Aussterbeereignisse in der Carnivorengilde werden oft mit carnivoren Homininen in Verbindung gebracht. Um zu prüfen, ob solche Theorien überhaupt zutreffen, benötigt man zunächst ein Modell, das Effekte von Konkurrenzbeziehungen innerhalb von Carnivorengilden quantifiziert darstellt.
In dieser Arbeit ist daher ein Modell entwickelt worden, das die Konkurrenz um Beute innerhalb einer Carnivorengilde darstellt und ermöglicht Veränderungen durch das Eintreten neuer Mitglieder in die Gilde zu modellieren. Dieses Modell wurde zur Analyse der rezenten Großcarnivorengilden der Serengeti, des Krüger-National-Parks und des Bandipur-Biosphärenreservat verwendet. Ebenso ist es zur Analyse pleistozäner Großcarnivorengilden Javas eingesetzt worden.
In dem Modell wird die verfügbare Beutemasse als limitierende Ressource für die Carnivorengilde betrachtet. Im ersten Schritt wird die Beute kategorisiert – in dieser Arbeit nach ihrer Körpermasse – und geprüft, welche Mitglieder dieselben Beutekategorien nutzen und welche für sie essentiell sind. Im zweiten Schritt wird die konkurrenzfreie Kapazität der Gildenmitglieder berechnet. Hierzu wird die für die gesamte Gilde verfügbare Beutemasse unter der Annahme verwendet, sie stehe einem Gildenmitglied allein zur Verfügung. Die konkurrenzfreie Kapazität ist daher die Populationsgröße, die ein Gildenmitglied mit dieser Beutemasse erreichen kann und stellt einen Referenzwert dar. Basierend auf diesem Referenzwert und der tatsächlichen Populationsgröße kann nun berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied diese Kapazität ausschöpft. Ist der Konsum an Beutemasse der übrigen Mitglieder in den essentiellen Beutekategorien bekannt, kann berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied durch ein anderes Mitglied von dieser Kapazität verliert. Dieser Verlust an Kapazität wird als Konkurrenzeffekt bezeichnet.
Dieses Modell ist sowohl auf rezente als auch fossile Gilden anwendbar. Um mit dem Modell die Konkurrenzeffekte zu berechnen, werden die Häufigkeit bzw. Populationsgröße, das Beutemassenspektrum sowie der tägliche Bedarf an Beutemasse benötigt.
Diese Größen können bei der Strukturanalyse von rezenten Gilden aus Freilandstudien entnommen werden. Im Falle fossiler Gilden müssen diese Größen erst rekonstruiert werden. Dafür sind in dieser Arbeit vorhandene Rekonstruktionsmethoden ergänzt, aber auch entwickelt worden, mit denen man basierend auf der Körpermasse fossiler Carnivora die benötigten Parameter rekonstruieren kann. Hierzu sind verschiedene Regressionen berechnet worden, die einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Zahnparametern und der Körpermasse darstellen. Weiterhin sind Muster der Beutemassenspektren rezenter Carnivora untersucht worden und Regressionen berechnet worden, die zur Rekonstruktion der mittleren Beutemasse eines Carnivoren verwendet werden.
Die benötigten Daten der javanischen Gilden werden mit den eben genannten Regressionen rekonstruiert. Anschließend wird eine Strukturanalyse der genannten rezenten und fossilen Großcarnivorengilden durchgeführt.
Bei den drei rezenten Gilden ist eine generelle sich wiederholende Struktur erkennbar. Die erfolgreichsten Mitglieder schöpfen ihre Kapazität zu ca. 60 % aus und verfolgen eine soziale Lebensweise.
Dennoch werden die erfolgreichsten Mitglieder der Gilden von unterschiedlichen Arten repräsentiert. So sind dies der Löwe im Krüger-Nationalpark, die Tüpfelhyäne in der Serengeti oder der Rothund in Bandipur.
Bei den fossilen Gilden war diese Struktur allerdings nicht erkennbar. Hier schöpft der Tiger seine Kapazität in allen Gilden am stärksten aus und hat extrem hohe Konkurrenzeffekte (bis zu ca. 98 %) auf die übrigen Gildenmitglieder.
Diese Unterschiede können mit Isolationsbedingungen Javas als Insel zusammenhängen, die sich grundsätzlich auf Strukturen der Säugergemeinschaften auswirken.
Vermutlich konnte der Tiger durch Veränderungen der Körpermasse seine konkurrenzstarke Position in der Großcarnivorengilde Javas halten.
Das entwickelte Modell ermöglicht auch eine Modellierung von Szenarien, die verschiedene Möglichkeiten berücksichtigt. Diese sind vor allem Veränderungen der Populationsgrößen, aber auch Veränderungen der Körpermasse und daraus resultierende Verschiebungen der Beutemassenspektren.
In Beispielen der Trinil-Gilde wird gezeigt, dass die Rolle eines hyper- bzw. hypocarnivoren Homo erectus in der Gilde mit dem entwickelten Modell dargestellt werden kann. Auch lassen sich Szenarien modellieren, in denen ein hyper- bzw. hypocarnivorer Homo erectus in die Gilde eindringt und so die übrigen Mitglieder von bei ihrer Kapazitätsausschöpfung Einbuße hinnehmen müssen.
In dem Szenarium von Trinil wird erkennbar, dass nur ein hypercarnivorer Homo erectus einen starken Effekt auf die Gildenmitglieder hatte. Geht man von einem omnivoren Homo erectus aus, ist der Konkurrenzeffekt geringer und es sind keine Aussterbeereignisse zu erwarten.
Das Modell kann in weiteren Studien zur Testung von Hypothesen zu Aussterbeereignissen Aufklärung bieten. Durch Einbeziehung weiterer Faktoren wie Kleptoparasitismus und interspezifische Tötungen kann es noch erweitert werden. Auch eine Dynamisierung des Modells, die eine kontinuierlich zeitliche Veränderung der Gilden modellieren kann, ist in zukünftigen Studien möglich.
Climate and subsequent environmental changes are regarded as one driver of species evolution. Against this background the present study investigates the evolutionary history of the mammalian family Bovidae (Cetartiodactyla, Mammalia), today the most species-rich family of large herbivores on the African continent. Temporal and spatial patterns in that group’s evolution are the focus of the present study and were investigated using methods and data deriving from multiple disciplines (palaeontology, genetics, climatology, conservation biology). The results serve as a validation of macroevolutionary hypotheses of species evolution.
A major proportion of African mammalian fossils can be assigned to that family. Due to their morphological adaptations, bovid species are highly indicative of their habitats. Hence, bovids are of great importance for paleontology. However, a strong taphonomic bias is present in the fossil record of bovids, favoring large and arid- adapted species. Molecular phylogenies of extant species and species distribution modelling combined with climate reconstructions can help to overcome these limitations.
A molecular phylogeny, based on the cytochrome b gene of 136 bovid species served as basis for analysis of temporal patterns. Divergence events were dated using the relaxed molecular clock approach. The tree was time calibrated at 30 nodes using information inferred from the fossil record. Lineage-Through-Time plots and the respective statistical analyses reveal detailed temporal patterns in the evolutionary history of tribes and groups combining arid- and humid-adapted tribes. The resulting pattern shows three distinct phases. Phase 1 (P1) is dominated by speciation events within the humid group, while the second phase (P2) is marked by a dominance of speciation within the arid group. The switch in diversification rates (BDS) from P1 to P2 is dated to 2.8 million years ago. The third phase (P3) shows low diversification rates for all groups, starting around 1.4 million year ago and culminates in a significantly reduced diversification rate for the complete family at 0.8 million years ago. Both transitions are contemporaneous with global climate changes and turnover events in fossil faunal communities.
To investigate the impact of climate changes onto the habitat availability within the last 3 million years and its putative influence on diversification rates, the species distribution modeling method was applied. For 85 African species and subspecies the climate niches were established and grouped into 5 climate-groups based on their climate preferences. For each group the available habitat for the period before and after the BDS was calculated on continental scale using reconstructed climate scenarios. To evaluate the modeled habitat distributions, regional analyses were performed in test areas surrounding well studied fossil sites (Laetoli, Olduvai, Chiwondo Beds, Lothagam, Koobi Fora, West Turkana, Swartkrans, Sterkfontain und Toros-Menalla). Habitat profiles (HP) permitted the comparison of the model based habitat reconstruction with the interpretations of classic paleontological reconstruction. The validity of the habitat modeling has been shown in particular for East African test areas. The reconstructions for the northern and southern fossil sites does not support the modeled habitats in these areas. Yet, the method of habitat- profiling may serve as suitable tool for environmental reconstruction of areas lacking sufficient paleontological material. A comparison of habitat availability before and after the BDS on continental scale identified a significant loss of habitat for humid adapted groups (7-22%) and habitat gain for arid adapted groups (19-173%). The climatically intermediate group experiences a tremendous gain of habitat (3366%). The greatest environmental change was modeled for East Africa, initiated by a progressive regional aridification.
In addition to the distribution modeling for past climate conditions, the geographical distribution was modeled for the future, i.e. for climate scenarios representing the years 2050 and 2080 under a putative climate change scenario (global surface warming). It was shown that in particular the arid groups have to expect a remarkable loss of habitat (41-76%), while a gain of available habitat can be expected for the humid adapted groups (114-577%). The climatically intermediate group suffers the strongest habitat loss (85%). Regions with locally stable climate conditions were detected and may serve as potential refugia and are already today known as Africa’s hot spots of biodiversity.
The results show a positive correlation of high diversification rates and increasing habitat availability. None of the tested speciation hypotheses taken alone explains the observations (e.g., Turnover-pulse Hypothesis, Relay Model). A major element in these hypotheses is the passive fragmentation of populations induced by unfavorable climate changes. In contrast, the Periodic Model (Grubb 1999) considers natural, periodically recurring climate changes and moreover, the active dispersal of individuals and resulting founder events. I added the effect of a superimposed directed climate trend – like the progressive aridification since the late Pliocene in Africa – which leads to a bias in the proportion and probability towards leading edge effects. This Directed Periodic Model explains the patterns found in the evolution of Bovidae.
The combination of a molecular phylogeny and species distribution modeling, together with information inferred from the fossil record, reveals remarkable temporal and spatial patterns in the evolution of bovids, and helps overcome the limitations of the fossil record. The present study highlights the importance of active dispersal and founder populations in speciation processes. A point widely unattended in speciation hypotheses. The fully dated molecular phylogeny is the most densely sampled tree for the family Bovidae to date and may serve as a framework for a connection of present and future population studies, permitting the connection of medium-scale with long- term effects induced by climate and environmental changes.