Activation d'un cluster de gènes de polycétide synthase de type I chez Streptomyces ambofaciens ATCC 23877 : isolation et caractérisation d'un nouveau macrolide géant

par Luisa Laureti

Thèse de doctorat en Sciences de la Vie et de la Santé

Sous la direction de Pierre Leblond.

Soutenue le 07-01-2010

à Nancy 1 , dans le cadre de BioSE , en partenariat avec Génétique et microbiologie (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Bourgaud.

Le jury était composé de Pierre Leblond, Mervyn Bibb, Jean-Luc Perdonet, Frédéric Bourgaud, Bernard Décaris, Bertrand Aigle.

Les rapporteurs étaient Mervyn Bibb, Jean-Luc Pernodet.


  • Résumé

    La recherche de nouveaux métabolites d'intérêt médical est toujours d'actualité, surtout si l'on considère que d'anciennes, mais aussi des nouvelles infections bactériennes ou virales apparaissent régulièrement. Les actinomycètes, et plus particulièrement les Streptomyces, sont les principaux producteurs de molécules anti-microbiennes. En effet, ils produisent presque 60-70% des produits naturels d'origine microbienne. La plupart de ces métabolites appartient à la classe des polycétides, qui sont synthétisés par des complexes multienzymatiques, les polycétide-synthétases (PKS). Les PKS utilisent des acides gras simples pour assembler des structures polycétidiques très diversifiées. Une approche très prometteuse pour identifier des nouvelles voies de biosynthèse de métabolites secondaires est basée sur une approche génomique ou « genome mining ». Le séquençage du chromosome linéaire de Streptomyces ambofaciens ATCC23877 a, entre autre, révélé sur le bras chromosomique droit, un cluster cryptique de gènes de PKS de type I de grande taille. Ce cluster contient 25 gènes, dont 9 gènes de biosynthèse, pour un total de 25 modules, tous fonctionnels. Les analyses in silico des gènes de PKS ont permis de prédire que le cluster serait responsable de la synthèse d'une molécule appartenant à la famille des macrolides. Dans des conditions standard de laboratoire, le cluster était silencieux. Afin d'activer l'expression du cluster, un gène de régulation, samR0484, présent dans le cluster et codant un régulateur de la famille LAL (Large ATP binding protein of the LuxR family), a été surexprimé dans la souche sauvage. Les analyses transcriptionelles ont montré que cela se traduisait par l'induction de l'expression des gènes de biosynthèse. Par conséquence, une stratégie de « comparative metabolic profiling » a été menée entre la souche sauvage et la souche mutante afin d'identifier le nouveau métabolite. Quatre formes différentes d'un macrolide avec un cycle lactonique de 50 carbones, ont été isolées et caractérisées. Ces composants, nommés sambomycine A, B, C et D, ont montré une activité antibactérienne et une activité antiproliférative intéressante. La détermination de la structure de la sambomycine a révélé des caractéristiques uniques et intéressantes, concernant la réaction de cyclisation et la synthèse d'un précurseur atypique. Ces mécanismes de biosynthèse ont fait l'objet d'une étude plus approfondie. Nous nous sommes également intéressés à la régulation de ce cluster. Le régulateur LAL agit comme un activateur transcriptionnel essentiel. Des analyses préliminaires indiquent que ce régulateur se fixe aux régions promotrices de certains gènes, notamment celles des gènes de biosynthèse ainsi que celles d'autres gènes de post-modification, activant ainsi leur transcription.

  • Titre traduit

    Activation of a silent type I polyketide synthase gene cluster in Streptomyces ambofaciens ATCC23877 : isolation and characterization of a novel giant macrolide


  • Résumé

    The constant and urgent need of novel bioactive compounds is the result of the emergence in the last decades of new and old infectious diseases, a sore for humankind. Actinomycetes and especially the genus Streptomyces are the principal producers of microbial drugs producing nearly 60-70% of the natural products. The majority of secondary metabolites belong to the class of polyketides that are synthesised by multienzymatic complexes named polyketides synthases (PKS). PKSs condensate simple small carboxylic acids to generate a wide range of complex polyketide structures. In the search for new drugs, the genome mining approach proved to be a powerful tool in the identification of cryptic secondary metabolite pathways. The sequencing and the analysis of Streptomyces ambofaciens ATCC23877 genome has revealed a large type I PKS cluster, on the right arm of the chromosome. The cluster contains 9 PKS, composed of 25 functional modules. In silico analysis of the PKS genes and of the tailoring genes enabled to predict the structure of the expected metabolite, a macrolide. In the laboratory standard conditions, the cluster showed to be silent. Therefore, to promote the expression of the cluster, the regulatory gene samR0484, encoding a LAL regulator (Large ATP binding protein of the LuxR family) was overexpressed in the wt strain. Transcriptional analyses showed that the PKS genes were expressed. Subsequently, by comparative metabolic profiling between the mutant strain and the wt, we were able to detect the novel metabolite produced by S. ambofaciens. Structural elucidation revealed four form of a 50-membered macrolide, named sambomycin. The compounds endow antibacterial and antitumoral activities. The structure unveiled unique and interesting characteristics of sambomycin, i.e. the cyclization reaction and the presence of an atypical extender unit. The mechanisms of biosynthesis have been analysed more in details in this work. We also investigated in the regulation of the cluster. The LAL regulator was shown to be an essential transcriptional activator, binding to the promoter regions of the PKS genes and probably to other genes in the cluster.


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