Study of specialized metabolism of Streptomyces sp.TN58

Le nombre des génomes bactériens séquencés disponibles dans les bases des données ne cesse d’augmenter. Grâce au développement d’outils bio informatiques, l’exploration de ces données génomiques est devenue beaucoup plus aisée. Ces analyses génomiques révèlent qu’un important réservoir de gènes du métabolisme spécialisé, et potentiellement de métabolites bioactifs, reste encore à explorer. J’ai étudié le métabolisme spécialisé d’une souche de Streptomyces appelée Streptomyces sp.TN58, isolée à partir d’un échantillon de sol tunisien et retenue pour son spectre d’activité biologique assez large. Son génome a été séquencé dans le cadre de ce travail. Je me suis particulièrement intéressée à la biosynthèse de deux familles de métabolites spécialisés, les acyl alpha-L-rhamnopyranosides et les dicétopipérazines.Les acyl alpha-L-rhamnopyranosides sont des composés qui possèdent un groupement rhamnose lié à un groupement acyle. Ils présentent plusieurs activités d’intérêt médical (antitumorale, antifongique, antibactérienne…). Leur biosynthèse par des Streptomyces a déjà été décrite, mais aucune étude de leur voie de biosynthèse n’est disponible dans la littérature. La souche Streptomyces sp.TN58 était connue pour produire deux molécules de cette famille. J’ai montré qu’elle en produisait une troisième et j’ai recherché quels gènes dirigeaient leur biosynthèse. J’ai pu identifier les gènes impliqués dans la biosynthèse du précurseur rhamnose et montrer qu’ils sont impliqués dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranosides. Les gènes localisés au voisinage de ceux qui dirigent la biosynthèse du rhamnose ne sont pas impliqués dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranoides. Cette organisation est originale, car tous les gènes impliqués dans la biosynthèse d’un métabolite spécialisé ne sont pas groupés, contrairement à ce qui est classiquement trouvé chez les Streptomyces et plus généralement chez les microorganismes. L’analyse du génome de Streptomyces sp. TN58 a permis l’identification d’autres gènes candidats, mais l’inactivation de certains de ces gènes n’abolit pas la biosynthèse des trois molécules d’acyl alpha-L-rhamnopyranoside. Ceci peut suggérer plusieurs enzymes promiscuitaires pourraient être impliquées dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranosides.Les dicétopipérazines sont des dérivés de dipeptides cycliques et constituent une classe de produits naturels possédant des activités biologiques diverses, mais leur rôle physiologique chez l’organisme producteur reste peu connu. Elles peuvent être synthétisées par des mégacomplexes enzymatiques, les synthétases de peptides non ribosomiques (NRPS), ou par des cyclodipeptides synthases (CDPS). Ces dernières sont des enzymes de petite taille utilisant des ARN de transfert amino-acylés comme substrat. Les cyclodipeptides synthétisés peuvent subir différentes modifications, ce qui explique la diversité de leur structure chimique. L’analyse du génome de Streptomyces sp.TN58 a permis d’identifier un cluster de deux gènes (codant une CDPS et un cytochrome P450) homologues à des gènes impliqués dans la biosynthèse d’une dicétopipérazine (la mycocyclosine) chez Mycobacterium tuberculosis. J’ai identifié les produits dont la biosynthèse est dirigée par ces gènes. J’ai construit des souches mutées pour tester l’hypothèse d’un rôle de ces produits dans la signalisation pour la différenciation morphologique et la production d’antibiotiques chez Streptomyces sp.TN58. Les premiers résultats obtenus semblent en accord avec cette hypothèse.The number of sequenced bacterial genomes available in databases is steadily increasing. With the development of bioinformatics tools, the exploration of these genomic data has become much easier. These genomic analyzes reveal that an important reservoir of genes for specialized metabolism, and potentially bioactive metabolites, remains to be explored. The vast majority of bacterial specialized metabolism was therefore ignored. I studied the specialized metabolism of a Streptomyces strain called Streptomyces sp.TN58, isolated from a Tunisian soil sample and retained for its broad spectrum of biological activity. Its genome has been sequenced in the frame of this work. I was particularly interested in the biosynthesis of two families of specialized metabolites, acyl alpha-L-rhamnopyranosides and diketopiperazines (DKPs).Acyl alpha-L-rhamnopyranosides are compounds having a rhamnose group linked to an acyl group. They possess a variety of biological activities of medical interest (anti-tumor, antifungal, antibacterial…). Their production by Streptomyces sp. has been described previously but no study of their biosynthetic pathway is available in literature. Streptomyces sp.TN58 strain was known to produce two molecules of this family. I showed that it produced a third one and I looked for the genes directing their biosynthesis. I have identified the genes involved in the biosynthesis of the rhamnose precursor and shown that their inactivation abolished the biosynthesis of acyl alpha-L-rhamnopyranosides. However, the genes located in the vicinity of the rhamnose biosynthetic genes are not involved in acyl alpha-L-rhamnopyranoside biosynthesis. This organization is unusual because all the genes directing the biosynthesis of a specialized metabolite are not clustered, contrarily to what is usually found in Streptomyces and more generally in microorganisms. A genome-mining approach allowed the identification of candidate genes, but the inactivation of some of these genes did not abolish the biosynthesis of the three acyl alpha-L-rhamnopyranoside molecules. This suggests that several rather promiscuous enzymes might be involved in the biosynthesis of acyl alpha-L-rhamnopyranosides.DKPs are cyclic dipeptide derivatives. This class of natural products possesses a wide variety of biological activities, but their physiological role in the producing organism remains often unknown. DKPs can be synthesized by non-ribosomal peptide synthases (NRPSs) or by cyclodipetide synthases (CDPSs). Contrarily to NRPSs which are enzymatic megacomplexes using amino acids as substrate, CDPSs are small enzymes using amino-acylated tRNAs as a substrate. The synthesized cyclodipeptides can undergo various modifications, which explains the diversity of DKP chemical structures. Mining the genome of Streptomyces sp. TN58 allowed the identification of a cluster of two genes (encoding a CDPS and a cytochrome P450) homologous to genes involved in the biosynthesis of a DKP (mycocyclosin) in Mycobacterium tuberculosis. I managed to identify the DKP synthesized. I constructed mutant strains to test the hypothesis that these DKPs could play a role as signaling molecules for morphological differentiation and antibiotic production in Streptomyces sp.TN58. Preliminary results seem to support this hypothesi