Induction du métabolisme secondaire

Le métabolisme secondaire n’est pas seulement soumis à un contrôle des sources nutritionnelles. D’autres signaux se sont avérés important pour la synthèse des antibiotiques et l’induction du métabolisme secondaire. Leur effet et leur mécanisme d’action sont décrits ici.

I.3.3.1. Les précurseurs

Les précurseurs sont capables de stimuler la production d’antibiotiques en induisant les enzymes de biosynthèses. Un exemple typique est la stimulation de la production de l’alkaloïde de l’ergot par le tryptophane. Krupinsky et al. (1976) ont montré que le tryptophane, lorsqu’il est ajouté à 4 mM, améliore la production de l’alkaloïde de l’ergot en induisant la diméthylallyltryptophane synthétase, la première enzyme de biosynthèse de ce métabolite. Par ailleurs, il a été observé que la méthionine, précurseur de la céphalosporine C chez Cephalosporium acremonium, induit les enzymes de la voie de synthèse de la céphalosporine C: l’ACV synthétase, l’isopénicilline N synthase (cyclase) et la déacétoxycéphalosporine C synthase (expandase) lorsqu’elle est ajoutée à une concentration de 0,32 % (21,4 mM) (Zhang et al. 1987, Demain and Zhang 1998). Enfin, certaines enzymes impliquées dans la formation des précurseurs s’avèrent induites par leur propre substrat. Ainsi Rius et al. (1996) ont observé que la lysine induit la L-lysine ε-aminotransférase une enzyme impliquée dans la conversion de la L-lysine en acide L-α-aminoadipique, un précurseur des céphamycines chez S. clavuligerus. En outre, la valine deshydrogénase, la première enzyme du catabolisme de la valine qui fournit du butyrate, du propionate et du méthyl-malonate pour la biosynthèse des macrolides est induite par la valine chez S. aureofaciens, S. fradiae et S. avermitilis (Nguyen et al. 1995a, b).

I.3.3.2. Les inducteurs non spécifiques

D’autres molécules appelées γ-butyrolactones s’avèrent capable de réguler la production d’antibiotiques. La première γ-butyrolactone a été identifiée par Khoklov et al. en 1967 à partir d’une culture de S. griseus. Cette molécule signal est aussi connue sous le nom

40 de facteur A ou facteur d’auto-régulation. Depuis, 14 autres γ-butyrolactones qui diffèrent par leurs acides latéraux et issues de 7 espèces de Streptomyces ont été découvertes (Figure I-7).

de S. griseus (streptomycine et sporulation)

de

S. viridochromogenes

(anthracyclines et sporulation chez S. griseus)

de S. lavendulae (showdomycine et minimycine) de S. coelicolor

(Act, Red)

S. bikiniensis et S. cyaneofuscatus

(anthracyclines chez S. griseus) 2R3R ou 2S3S

de

S. virginiae (virginiamycine)

Figure I-7 Structures chimiques des γγγγ-butyrolactones issues de Streptomyces et C4-homosérine lactone issue de Pseudomonas aeruginosa. Le nom de la molécule apparaît en gras. L’antibiotique ou les fonctions qui sont affectés apparaissent entre parenthèses. Act : actinorhodine, Red : undécylprodigiosine. Figure issue de Tanako 2006.

Ces molécules agissent comme un inducteur à des concentrations aussi basses que le nanomolaire. Elles induisent non seulement la production des métabolites secondaires mais contrôlent aussi dans la plupart des cas la différentiation morphologique.

Les γ-butyrolactones agissent en se liant à des protéines régulatrices, dites protéines réceptrices, en inhibant la liaison de ces protéines à l’ADN. Comme nombre de ces protéines agissent comme des répresseurs, leur liaison aux butyrolactones entraîne l’induction des gènes cibles (Tanako 2006). Dans le cas de la production de streptomycine par S. griseus la cascade de régulation qui permet le contrôle de la production par le facteur A a été identifiée (Horinouchi et al. 2001, Figure I-8). Le processus inclue une première étape de liaison du facteur A à une protéine réceptrice Arp A qui permet l’expression de adpA. AdpA agit ensuite comme un activateur de transcription de strR et aphD. Finalement, StrR agit comme un activateur de transcription, spécifique de la voie de biosynthèse.

41

2. 1.

promoteur

Figure I-8 Cascade de régulation conduisant à l’induction par le facteur A de la production de streptomycine de S. griseus. Le facteur A se lie à la protéine réceptrice ArpA et permet l’expression de

adpA. AdpA agit ensuite comme un activateur de transcription de strR et aphD. StrR est un activateur de

transcription spécifique de la voie de biosynthèse. StrR induit les gènes de biosynthèse de la streptomycine en se liant à de multiples sites sur le cluster. AphD confère à S. griseus la résistance à la streptomycine. Figure issue de Horinouchi et al. 2001.

I.3.3.3. Les messagers nucléotidique phosphorylé AMPc, ppGpp

L’AMPc et le ppGpp, messagers nucléotidiques phosphorylés dont le rôle régulateur est bien identifié chez certaines bactéries comme E. coli, pourraient également jouer un rôle dans l’initiation de la synthèse des métabolites secondaires. Leur rôle pourrait être intimement lié à la présence de certaines sources nutritionnelles dans la cellule: le glucose pour l’AMPc (I.3.1.1), les acides aminés pour ppGpp. Leur rôle comme inducteur du métabolisme secondaire sera cependant rapporté ici indépendemment de l’effet des sources nutritionnelles car le lien établi entre ces effecteurs phosphorylés et l’initiation de la synthèse d’antibiotique n’a pas toujours été mis en relation avec l’état nutritionnel de la cellule.

- Le rôle de la réponse stringente, ou synthèse de ppGpp, dans l’initiation du métabolisme secondaire

Chez E. coli, un mécanisme de réponse à l’épuisement des acides aminés dans la cellule a été découvert et précisément caractérisé (Figure I-9). Ce mécanisme est aussi appelé « réponse stringente ». Ainsi, lorsque le contenu cellulaire en acides aminés s’épuise, une forte synthèse du nucléotide phosphorylé ppGpp s’initie ce qui entraîne, entre autres, une diminution de la synthèse des ARN ribosomaux et des ARN de transfert et une stimulation de

42 la transcription des gènes impliqués dans la biosynthèse des acides aminés (Takano and Bibb 1994).

2. Epuisement des acides aminés

+++ pppGpp pppGpp pppGpp pppGpp pppGpp pppGpp ARNm ARNm ARNt chargé ARNt non chargé RelA: pppGpp synthétase L11

Ribosome

1. Présence des acides aminés

ppGpp ppGpp ppGpp

Figure I-9 Mécanisme de la réponse stringente chez E. coli d’après Takano et Bibb (1994). En cas

d’épuisement des acides aminés (2.), la fixation d’ARNt non chargés, au site A du ribosome, active la pppGpp synthétase RelA. La formation de ppGpp à partir de pppGpp est ensuite catalysée par une pppGpp 5’-phosphohydrolase.

Chez les Streptomyces, le rôle possible du ppGpp dans l’initiation de la synthèse des métabolites secondaires fait débat. Certaines études suggèrent un lien entre l’augmentation du niveau de ppGpp et le déclenchement de la production de métabolites secondaires. Les résultats d’Ochi (1986) montrent que l’initiation de la synthèse de formycine chez Streptomyces lavendulae est associée à un niveau élevé en ppGpp. Par ailleurs des mutants de S. lavendulae déficients pour L11 (une protéine nécessaire pour la synthèse de pppGpp par RelA) et incapables de synthétiser ppGpp ne produisent pas de formycine. De même, des mutants de S.coelicolor déficients pour L11 et Rel A, non producteurs de ppGpp, ne synthétisent pas d’undécylprodigiosine et d’actinorhodine (Ochi 1990, Chakraburtty and Bibb 1997, Hoyt and Jones 1999). Cependant, l’initiation de la synthèse de métabolites secondaires n’apparait pas systématiquement associée à niveau élevé de ppGpp. Ainsi, An et Vining (1978) ont observé une chute du niveau de ppGpp avant le début de la production de streptomycine chez S. griseus. De même, aucune corrélation n’a pu être trouvée entre le niveau de ppGpp et l’initiation de la synthèse de céphamycines chez S. clavuligerus. Par

43 ailleurs, chez les mutants de S. clavuligerus incapables de synthétiser ppGpp, la synthèse de céphamycines n’est pas affectée (Bascaran et al. 1991).

- Le rôle du niveau d’AMPc dans l’initiation du métabolisme secondaire

Kang et al. (1999) ont rapporté l’existence de mutants HO2 de S. griseus déficients pour le facteur A et qui ne sont pas soumis à sa régulation car ils sont déficients pour la protéine Arp A (Figure I-9). Ces mutants sont donc producteurs de mycélium aérien, de spores et de streptomycine. L’ajout d’AMPc à leur milieu de culture entraîne une suppression de la différentiation morphologique et de la synthèse de streptomycine. Ainsi, l’AMPc réprimerait la différentiation morphologique et chimique chez les mutants non soumis à la régulation par le facteur A. Par contre l’ajout d’AMPc n’a pas d’effet sur la souche sauvage, indiquant que le rôle régulateur de l’AMPc est secondaire à celui du facteur A.

I.4. Influence du milieu de culture sur la croissance et la production des