Origines biosynthétiques

La voie de biosynthèse des caroténoïdes a été déterminée dans les années 1950-1960 en utilisant une approche biochimique classique, faisant appel à des inhibiteurs spécifiques et des mutants bloqués à certaines étapes. Dans les années 1970, des systèmes différents ont été développés afin d’étudier plus précisément les enzymes intervenants dans cette voie de biosynthèse (Fraser & Bramley, 2004). Cependant, c’est l’avènement des techniques modernes de génétique, facilitant l’isolation des gènes qui a permis de comprendre la totalité de la voie de biosynthèse des caroténoïdes, avec leurs régulations et leurs enzymes. Cette voie de biosynthèse trouve son origine dans le plastide, elle découle, dans les plantes supérieures, de la voie commune aux autres isoprénoides (tel les gibberellines, tocophérols, chlorophylles..) et qui débute par un composé à 5 carbones : l’isopentenyl pyrophosphate (IPP), lui-même découlant de l’assemblage d’acide mévalonique et d’acétyl-coA (Fraser & Bramley, 2004) (Fig. 2).

Figure 2 : Voie de biosynthèse des caroténoïdes dans les plantes. Dans un but de simplification seules les configurations trans sont données. DXPS, 1-déoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase ; DXR,

1-déoxy-D-xylulose-5-phosphate réductoisomérase; IPI, isopentenyl pyrophosphate isomérase; GGDP, géranylgéranyl diphosphate synthase; PSY, phytoène synthase; PDS, phytoène désaturase; ZDS, f-carotène désaturase; LCYB, lycopène β-cyclase; LCYE, lycopène α-cyclase; CHYB, hydroxylase

sur cycle β ; CHYE, hydroxylase sur cycle α; ZEP, zéaxanthine époxidase; VDE, violaxanthine dé-époxidase; CRTISO, caroténoïde isomérase; NSY, néoxanthine synthase; NCED,

9-cis-époxycarotenoide dioxy- génase. (Tanaka, Sasaki, & Ohmiya, 2008b).

La biosynthèse des caroténoïdes dans les plantes (fig. 2) commence par une unité isoprène en C5 (IPP) subissant des assemblages tête queue jusqu'à obtenir la première molécule de 40 atomes de carbone qui est le phytoène. L’étape suivante consiste en la mise en place des doubles liaisons par des réactions de désaturation (du phytoène ou du β-carotène). Ces désaturations vont aboutir à la formation de composés intermédiaires, dont le lycopène avec 11 doubles liaisons conjuguées. L’augmentation du nombre de doubles liaisons

composés de couleurs différentes depuis le phytoène, composé incolore, jusqu’au lycopène, composé rouge. Au cours de ces différentes étapes, différentes réactions intermédiaires vont aboutir à la formation de composés cis. Ces composés seront transformés en forme trans par des isomérases.

Une des autres étapes clef de cette biosynthèse est la cyclisation du lycopène. Cette réaction est catalysée par des cyclases (lycopène β-cyclase (LCYB) et lycopène α-cyclase (LCYE)). Tous les caroténoïdes ne sont pas cycliques, la cyclisation du lycopène n’est donc pas une réaction universelle dans la caroténogénèse mais elle est commune à tous les organismes produisant des caroténoïdes cycliques. Elle consiste à introduire un cycle à chaque extrémité de la molécule de lycopène. Le cycle introduit peut être de type β, ε ou γ (Fig. 3), selon la position de la double liaison dans le cycle. Les cycles les plus communs sont les cycles de type β. Les cycles ε sont uniquement retrouvés dans les plantes et certaines algues.

Figure 4 : Détail de l'insertion du cycle au cours de la biosynthèse des caroténoïdes (Fraser & Bramley, 2004)

La façon dont les cycles sont insérés au cours de la biosynthèse, ainsi que les caroténoïdes qui vont découler de l’action de chacune de ces enzymes, sont détaillés en figure 4. En effet, ces deux types d’enzymes permettent d’insérer successivement un cycle à chaque extrémité de la molécule de lycopène. Plusieurs combinaisons sont alors possibles :

- L’insertion d’un premier cycle β sous l’action de la lycopène β-cyclase permet la

formation du γ-carotène. La lycopène β-cyclase peut ensuite utiliser ce carotène comme substrat et former ainsi un caroténoïde à deux cycles β : le β-carotène.

- Le δ-carotène synthétisé sous l’action de la lycopène ε-cyclase peut ensuite être le substrat de deux enzymes différentes :

- la lycopène β-cyclase, qui forme un caroténoïde possédant un cycle de chaque type : l’α-carotène. Ce carotène est le précurseur de la lutéine.

trace chez les plantes. La laitue Lactuca sativa est une des rares espèces à produire un caroténoïde possédant deux cycles ε (la lactucaxanthine) en des quantités non négligeables.

La quantité de caroténoïdes présents dans un tissu végétal ne correspond pas seulement à la capacité de ce tissu à synthétiser des caroténoïdes. En effet, certains tissus peuvent en avoir la capacité mais n’en contiennent qu’une proportion négligeable. Le mécanisme responsable de cette régulation n’est pas encore bien connu à l’heure actuelle. Deux hypothèses sont avancées, la première mettant l’accent sur la dégradation des caroténoïdes, avec comme exemple celui des pétales de chrysanthèmes blanc contenant une enzyme de dégradation (caroténoïde désoxygénase) (CmCCD4a) (Amamizo, Irashima, Ishimoto, & Hmiya, 2011) empêchant l’accumulation de caroténoïdes qui coloreraient la fleur en jaune. La deuxième hypothèse de régulation est basée sur la capacité d’ absorption des caroténoïdes par la peau des végétaux considérés (Tanaka, Sasaki, & Ohmiya, 2008b).

A l’heure actuelle, des modifications sur la voie de biosynthèse des caroténoïdes peuvent être réalisées afin de modifier le type de caroténoïdes s’accumulant dans la source végétale. Ceci est possible notamment pour la carotte, la tomate, ou même la pomme de terre. Ainsi un gène introduit dans la carotte (Erwinia herbicola crt), augmente entre 2 et 5 fois le taux de β-carotène, et dans les tomates, les gènes Psy-1 (dégradation du lycopène), CYC anti-sens (dégradation de β-carotène), CYC-b sens (accumulation du β-carotène) peuvent, entre autre, être modifiés (Fraser & Bramley, 2004). Ces modifications génétiques permettent d’aboutir à des variétés dont la structure cellulaire est semblable, mais qui différent par la nature ou le taux de caroténoïdes.