Deciphering the biosynthetic pathway of trehalose polyphleates, a family of surface-exposed glycolipids broadly distributed in nontuberculous mycobacteria

Abstract

Les bactéries du genre Mycobacterium possèdent une enveloppe très caractéristique composée d'une membrane plasmique, une paroi et une capsule. Le compartiment pariétal est le plus remarquable, notamment grâce à la présence de lipides non liés de façon covalente à la structure : les lipides extractibles. Ubiquitaires ou spécifiques à une espèce, ces derniers sont retrouvés en surface, où ils peuvent jouer un rôle clé dans les interactions hôte-pathogène. La synthèse et le transport de ces lipides nécessite l'intervention d'une enzyme modulaire appelée polykétide synthase (Pks), d'une enzyme activant le substrat de la Pks, d'une autre transférant le produit de la Pks sur une molécule acceptrice et enfin d'un transporteur de la famille RND (résistance, nodulation, division cellulaire). Un locus regroupant les gènes codant pour des protéines de biosynthèse et de transport de lipides extractibles a été retrouvé sur le chromosome de M. smegmatis entre les gènes MSMEG_0406 et MSMEG_0413. Nous avons alors entrepris de caractériser le rôle de chacun de ces gènes. Notre stratégie a consisté à inactiver ces gènes par recombinaison homologue puis à étudier la nature et la localisation des dérivés lipidiques de l'enveloppe des mutants. Suite à la caractérisation structurale des dérivés lipidiques affectés par ces mutations, nous avons montré que ce locus est lié aux polyphléates de tréhalose (PPT), auparavant décrits chez M. phlei. Le composé mature consiste en un tréhalose estérifié par sept acides gras polyinsaturés appelés acides phléiques. L'étude des génomes mycobactériens a montré que ces gènes sont conservés par un large panel de mycobactéries non tuberculeuses, en particulier M. avium et M. abscessus, deux pathogènes opportunistes. L'analyse du contenu lipidique de ces deux espèces a mis en évidence un composé possédant des propriétés similaires aux PPT. Par ailleurs, l'inactivation chez M. abscessus de l'orthologue du gène codant la Pks abolit la production de ces composés, confirmant ainsi le rôle de la Pks. Par analogie avec les voies de biosynthèse des glycolipides produits par M. tuberculosis, agent de la tuberculose, nous avons pu établir un modèle de la voie de biosynthèse des PPT chez les mycobactéries.The unique mycobacterial envelope can be divided into three entities: a plasma membrane, a cell wall and a capsule. The parietal compartment is remarkable for its lipid content notably the extractible lipids, not covalently bound to the structure. Either ubiquitous or species-specific, these surface lipids can play key roles in host-pathogen interactions. The synthesis and transport of many extractible lipids require at least a modular enzyme called polyketide synthase (Pks), a protein allowing the activation of the Pks substrate, another transferring the Pks product onto an acceptor molecule and a RND transporter (resistance-nodulation-division). A locus containing synthesis and transport coding genes was found on the M. smegmatis chromosome between MSMEG_0406 and MSMEG_0413. We then undertook to characterize the role of each gene composing this locus. Our strategy was to disrupt these genes by homologous recombination and then to analyze the lipid content and localization of the mutant strain envelope. Structural characterization of the impacted lipids showed a link between this locus and trehalose polyphleates (PPT) synthesis. The mature compound is a trehalose acylated by seven polyunsaturated fatty acids called phleic acid and previously described in M. phlei. Analysis of mycobacterial genomes showed that these genes are conserved in several non tuberculous mycobacteria, including the opportunistic pathogens M. avium and M. abscessus. Analysis of the lipid content of both species showed a compound with the same properties than PPT. Moreover, inactivation of the M. abscessus pks orthologue abolished its production, thus confirming the Pks implication in the PPT synthesis. By analogy with M. tuberculosis glycolipid biosynthesis, we could propose a model of the PPT biosynthetic pathway in mycobacteria