Les polycétide synthases

Les polycétide synthases (PKS, de l’anglais polyketide synthase) sont des enzymes qui réalisent les différentes étapes d’assemblage des polycétides via la condensation de simples blocs de construction que sont les unités acyl-CoA. Les PKS sont classées en trois types distincts : les types I et II qui présentent des caractéristiques similaires avec les enzymes impliquées lors de la biosynthèse des acides gras, et le type III. Cette classification prend aussi en compte la nature des produits obtenus, ainsi les PKS de type II et III synthétisent des polycétides aromatiques, tandis que les PKS de type I permettent l’assemblage de polycétides au moins partiellement réduits. De surcroît le mode opératoire, itératif ou modulaire, permet aussi de classifier les PKS.

1. Les PKS de type III

Les enzymes de la famille des PKS de type III, aussi appelées chalcones ou stilbènes synthases, sont principalement retrouvées chez les plantes et les bactéries où elles interviennent lors de la première étape de la biosynthèse des flavonoïdes (Shimizu et al., 2017). Ce type de PKS génère une grande diversité de produits (Figure 5), due au nombre variable d’étapes d’extension (2 à 8), et au mécanisme de cyclisation (Morita et al., 2019).

Figure 5 : Structure des membres représentatifs des métabolites spécialisés biosynthétisés par les PKS de type III.

Les PKS de type III montrent l’architecture la plus simple parmi les différents types de PKS. En effet, ces enzymes sont composées d’un domaine cétosynthase (KS, de l’anglais

ketosynthase) multi-fonctionnel (Figure 6), contrairement aux PKS de type I et de type II qui présentent une organisation multi-enzymatique. Ce type d’enzyme a la particularité d’être itératif, c’est-à-dire que seul le site actif du domaine KS est utilisé pour réaliser la condensation répétée de plusieurs acyl-CoA dans le but de former le polycétide. Les unités d’extension utilisées par les PKS de type III restent chargées sur des molécules de coenzyme A. Les condensations itératives sont suivies d’une étape de cyclisation qui opère suivant différents mécanismes de réactions intramoléculaires (Shimizu et al., 2017). Des étapes supplémentaires de modification sont possibles pour terminer la formation des produits via des enzymes dites post-PKS.

Figure 6 : Représentation schématique du mode d’action des PKS de type III (Adapté de Shimizu et al., 2017). Les PKS de type III catalysent la formation du polycétide au moyen d’un

seul site actif et par l’utilisation des substrats activés par le coenzyme A.

2. Les PKS de type II

Les produits naturels synthétisés par les PKS de type II forment un groupe de métabolites spécialisés important retrouvé chez les bactéries et les champignons. Ces composés sont majoritairement aromatiques, polyinsaturés, et diversifiés dans leurs structures. La Figure 7

Figure 7 : Structure des membres représentatifs des métabolites spécialisés biosynthétisés par les PKS de type II.

Les PKS de type II présentent une homologie avec les acides gras synthases bactériennes, en termes de mécanisme d’extension de la chaîne du polycétide et de composition en domaines au sein de la PKS (Chen et al., 2018). À l’instar des PKS de type III, les enzymes de type II sont itératives. Cependant, elles présentent une organisation plus complexe, qui est multi-enzymatique (Hertweck et al., 2007).

Deux domaines cétosynthases (KSα et KSβ) et un domaine ACP (de l’anglais acyl carrier protein) vont former une PKS minimale (Figure 8). Des sous-unités supplémentaires peuvent s’ajouter à cette PKS minimale, telles que des cétoréductases, des cyclases ou encore des aromatases, qui réalisent la maturation de la chaîne en cours de croissance. Les unités

d’extension sont attachées au niveau du domaine ACP, pour pouvoir être condensées au sein du complexe multi-enzymatique, contrairement aux PKS de type III.

La synthèse débute par la condensation itérative d’unités malonyl-CoA via les deux KS. Pour ce faire, le domaine KSβ fournit l’unité de départ, l’acétyl-ACP, qui est obtenue par la décarboxylation du malonyl-ACP. Le domaine KSα catalyse les réactions de condensation entre un malonate greffé à l’ACP et la chaîne en extension attachée à cette KS.

La sélection des unités d’extension se fait par l’action de la protéine MCAT (de l’anglais

malonyl-CoA: acyl carrier protein transacylase) dont le gène est absent du groupe de gènes codant l’ensemble des PKS de type II à l’instar des FAS (Fernández-Moreno et al., 1992 ; Hitchman et al., 1998), ou bien les domaines ACP sont capables d’auto-malonylation (Arthur et al., 2005). Des enzymes post-PKS vont terminer la formation du polycétide que ce soient par exemple des oxygénases, ou des glycosyl- et méthyl-transférases.

Figure 8 : Représentation schématique du mode d’action général des PKS de type II (d’après Chen et al., 2018). Les PKS de type II sont dits itératives et donc constituées d’un

seul module composé de plusieurs enzymes individuelles, qui catalysent l’intégralité de

l’extension de la chaîne par itération de leurs activités.

3. Les PKS de type I

C’est le type de PKS le plus complexe et le plus variable. Il est caractérisé par la présence de plusieurs sites actifs au sein de la même chaîne polypeptidique. Les PKS de type I possèdent un mode opératoire de type itératif (A) ou de type modulaire (B). Comme les PKS de type II, ce type de PKS présente une homologie avec les acides gras synthases (Weissman, 2009 ; Herbst