MiGenIs — Recherche de nouveaux gènes du métabolisme secondaire par exploration d’ilots génomiques

Les produits naturels (PN), désignés sous le terme de métabolites secondaires, sont des composés chimiques de faible poids moléculaire produits par des organismes vivants et possédant des activités biologiques ou pharmacologiques. Ils sont une source majeure de molécules thérapeutiques, constituent des sondes biologiques permettant de mieux appréhender les fonctions cellulaires et sont source d’inspiration[p1] dans le domaine de la chimique analytique et de synthèse. Les enzymes responsables de leur synthèse peuvent également avoir des applications en chimie verte. Une part importante des PN est produite par des microorganismes et les avancées en génomique ont révélé qu’un nombre important de PN reste à découvrir. Un microrgansime connu pour produire un nombre limité de PN a en fait la capacité d’en synthétiser un grand nombre. C'est notamment le cas chez les bactéries du genre Streptomyces, largement utilisées pour la production de métabolites secondaires. De ce fait, des efforts considérables sont actuellement fournis pour accéder aux 90% de molécules "cryptiques", c’est-à-dire non synthétisées en condition de laboratoire. La majorité des approches repose sur le séquençage des génomes de nombreuses espèces et l’identification des clusters par similarité avec les gènes de biosynthèse connus. Bien que ces méthodes aient démontré leur efficacité pour la découverte de nouveaux métabolites, les données publiées et nos résultats préliminaires indiquent que la synthèse de certains PN est dirigé des groupes de gènes que ne parviennent pas à détecter les méthodes basées sur la recherche d’homologues. Nous proposons donc de développer une méthode pour découvrir de tels groupes de gènes en se basant sur la détection d’îlots génomiques (IG) présents dans des souches apparentées. En effet, il a été observé que de tels îlots étaient souvent enrichis en gènes du métabolisme secondaire. Une fois les IG identifiés, l’étape suivante consiste à établir un lien entre ces îlots et les PN isolés par métabolomique (analyses LC-MS) ou par la détection de leurs activités biologiques. Les nouveaux groupes de gènes peuvent par la suite être caractérisés et les voies de biosynthèse élucidées. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous l’appliquerons à trois souches de Streptomyces ambofaciens (S. ambofaciens ATCC23877, DSM40697 et M1013) pour lesquelles des séquences génomiques complètes (ATCC23877) ou partielles (DSM40697 ou M1013) sont disponibles. Dans un premier temps, nous nous concentrerons sur la souche ATCC23877 pour laquelle nous disposons de données préliminaires. En effet, le métabolisme secondaire de cette souche est étudié par les partenaires 1 et 2 depuis plusieurs années. Ils ont identifié les groupes de gènes de biosynthèse de NP détectables par recherche d’homologie et ont caractérisé plusieurs métabolites produits par la souche : les antibiotiques spiramycine, congocidine et kinamycine, ainsi qu’un nouveau macrolide possédant des propriétés antiprolifératives prometteuses, la stambomycine. Une souche ne produisant plus ces molécules a été construite. Par ailleurs, les partenaires 1 et 2 ont identifié plusieurs composés dont la synthèse n’a pu être reliée à l’un des groupes de gènes de NP identifiés par recherche d’homologie. Enfin, une comparaison du génome de la souche ATCC23877 avec celui de l’espèce proche Streptomyces coelicolor a permis l’identification de certains IG et un lien a pu être établi entre un IG et un des composés isolés. La démarche proposée est donc valide, et garantit les meilleures chances de succès au projet. En conclusion, ce projet devrait permettre de valider une méthode innovante d’identification de nouveaux clusters de gènes de NP et de leur produit, méthode qui sera transposable pour l’exploration d’autres génomes bactériens. Il contribuera à la caractérisation de nouveaux PN, de nouveaux groupes de gènes et éventuellement de nouvelles familles de gènes /enzymes.