Gene der Cardenolid-Biosynthese aus Digitalis - und Isoplexis -Spezies Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Vanessa Jeannine Herl aus Nürnberg Gene der Cardenolid-Biosynthese aus Digitalis - und Isoplexis -Spezies Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Vanessa Jeannine Herl aus Nürnberg Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 03.11.2006 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder Erstberichterstatter: Prof. Dr. W. Kreis Zweitberichterstatter: Prof. Dr. W. Hillen Drittberichterstatter: Prof. Dr. B. Dräger Für meine Familie Der Mensch hat dreierlei Wege klug zu handeln: erstens durch Nachdenken, das ist der edelste, zweitens durch Nachahmen, das ist der leichteste, und drittens durch Erfahrung, das ist der bitterste. Konfuzius Danksagung Mein Dank gilt im besonderen Maße meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. Wolfgang Kreis, der mir die Gelegenheit gab, dieses interessante und spannende Thema bearbeiten zu dürfen. Er verstand es durch seine stete Diskussionsbereitschaft meinen Blick auf das Wesentliche zu fokussieren, Ergebnisse auch kritisch zu hinterfragen und hat auf diese Weise entscheidend zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Ganz besonders möchte ich mich bei Herrn Dr. Frieder Müller-Uri bedanken, der durch seinen Erfahrungsschatz, seine große Gesprächs- und Diskussionsbereitschaft vor und nach Feierabend, sowie durch seine Geduld und Unterstützung meine Begeisterung für die Forschung geweckt hat. Ein riesiges Dankeschön gilt Frau Gab(r)i(ele) Fischer, die sich für ihre exzellente technische Assistenz, unermüdliche Hilfs- und Diskussionsbereitschaft sowie für ihren unvergleichlichen Sinn für Humor mehr als nur einen „Du-bist-sooo-tapfer-Orden“ verdient hätte. Bei Frau Jördis Frankenstein möchte ich mich im Besonderen für die geduldige Unterstützung an der HPLC, sowie für die von Humor und Improvisationstalent geprägte gemeinsame Kursbetreuungs- und Promotionszeit bedanken. Herrn Prof. Dr. Y. Muller und Frau C. Egerer-Sieber, sowie den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls für Biotechnik, FAU Erlangen, danke ich für die konstruktive und erfolgreiche Zusammenarbeit bei der Kristallisation rekombinanter Proteine. Weiterhin danke ich Herrn Priv. Doz. Dr. F. Klebl und W. Weber für die Möglichkeit, das Isotopenlabor nutzen zu dürfen, sowie für die Unterstützung bei der Durchführung radioaktiver Experimente. Danken möchte ich auch Herrn Priv. Doz. Dr. V. A. R. Huss für die Generierung der Phylogramme, sowie für seine Diskussions- und Hilfsbereitschaft bei evolutionären Fragestellungen. Bei Herrn Dr. S. Schwab möchte ich mich für die Einarbeitung und Unterstützung an der GC- MS bedanken. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. Dr. D. Albach, Universität Mainz, für seine Diskussionsbereitschaft bezüglich der evolutionären Aspekte meiner Arbeit. Ich möchte mich bei allen bedanken, die zur Vervollständigung des verwendeten Pflanzen-, bzw. DNA-Materials der Digitalis - und Isoplexis -Arten beigetragen haben: Frau Prof. Dr. M. Petersen, Herrn Prof. Dr. V. Melzheimer und Frau A. Berim (Universität Marburg); Herrn Prof. Dr. G. Heubl und Herrn C. Bräuchler (Universität München); Herrn Prof. Dr. J. Segura, (Universität Valencia, Spanien); Herrn DR. W. Welß (FAU Erlangen), Herrn Prof. Dr. A. Graner (Genbank Gatersleben) sowie den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Botanischen Gärten in Erlangen und München. Außerdem bedanke ich mich bei allen übrigen sowie ehemaligen Kolleginnen und Kollegen am Lehrstuhl für Pharmazeutische Biologie für die angenehme Arbeitsatmosphäre und das gute Betriebsklima. Mein Dank gilt auch Frau Christina Müller-Uri für die Hilfe beim Beschaffen schwer zugänglicher Literatur und ihre mir entgegengebrachte Gastfreundschaft. Meinen persönlichen Freunden möchte ich für das Interesse am Fortschritt meiner Arbeit, sowie für die Geduld beim Zuhören und Lösen von damit verbundenen Herausforderungen danken. Ein besonderer Dank gilt meinem Vater für sein Interesse am Gelingen dieser Arbeit und seine Anerkennung meiner damit erbrachten Leistung, sowie für seine finanzielle Unterstützung während meiner Studien- und Promotionszeit. Abschließend möchte ich mich besonders bei Michael und meinen Eltern bedanken. Ihre moralische Unterstützung und ihr Glauben an meine Stärken und Fähigkeiten, auch in Momenten und Situationen wenn es kein anderer mehr getan hat, stärkten mir immer den Rücken und haben so einen ganz besonderen Anteil am Gelingen dieser Arbeit. Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS I EINLEITUNG .................................................................................................................1 I.1 Die Gattungen Digitalis L. und Isoplexis L. .........................................................1 I.2 Sekundärstoffe in den Gattungen Digitalis und Isoplexis ..................................2 I.2.1 Digitanole, Saponine, Anthracenderivate und Flavonoide ...................................2 I.2.2 Cardenolide ...........................................................................................................4 I.2.2.1 Medizinische Bedeutung..............................................................................4 I.2.2.2 Strukturen der Cardenolide ..........................................................................5 I.3 Die Cardenolid-Biosynthese ..................................................................................7 I.4 Zielsetzung der Arbeit ...........................................................................................11 II MATERIAL UND METHODEN ................................................................................12 II.1 Material .................................................................................................................12 II.1.1 Wasser, DEPC-Wasser ........................................................................................12 II.1.2 Pflanzenmaterial ..................................................................................................12 II.1.3 Lösungen..............................................................................................................13 II.1.3.1 Lösungen für mikrobiologische Arbeiten ...................................................13 II.1.3.2 Lösungen für die Southern-Blot-Analyse ...................................................14 II.1.3.3 Lösungen für die Silberfärbung von Protein-Gelen....................................14 II.1.3.4 Lösungen für die DC-Analytik ...................................................................15 II.1.4 Medien .................................................................................................................15 II.1.5 Puffer ...................................................................................................................16 II.1.5.1 Puffer für molekularbiologische Arbeiten ..................................................16 II.1.5.2 Puffer für proteinchemische Arbeiten.........................................................17 II.1.6 Oligodesoxyribonukleotide (Primer)...................................................................19 II.1.7 Plasmide...............................................................................................................20 II.1.8 Escherichia coli -Stämme.....................................................................................20 II.1.9 Geräte...................................................................................................................20 II.1.10 Chemikalien.......................................................................................................22 II.1.11 Kits und Enzyme................................................................................................24 II.1.12 Verbrauchsmaterialen........................................................................................24 II.2 Methoden...............................................................................................................25 II.2.1 Isolierung genomischer DNA..............................................................................25 I Inhaltsverzeichnis II.2.2 Isolierung von Gesamt-RNA...............................................................................25 II.2.3 Konzentrationsbestimmung von Nukleinsäuren..................................................25 II.2.4 Aufreinigung von mRNA....................................................................................25 II.2.5 cDNA-Synthese...................................................................................................26 II.2.6 PCR/RT-PCR ......................................................................................................27 II.2.7 Trennung und Nachweis von DNA mittels Agarosegelen ..................................27 II.2.8 Isolierung von DNA aus Agarosegelen...............................................................28 II.2.9 Aufreinigung von DNA.......................................................................................28 II.2.10 Subklonierung und Sequenzierung von PCR-Produkten ..................................28 II.2.10.1 Klonierung von PCR-Produkten...............................................................28 II.2.10.2 Isolierung von Plasmid-DNA aus transformierten Bakterienzellen .........29 II.2.10.3 Restriktion