Cours 7 Métabolites secondaires et antibiotiques PDF

BCM2503 Métabolisme moléculaire Cours 7: Métabolites secondaires et antibiotiques  Définition: Métabolite primaire: impliqué dans de nombreux réactions – débit élevée Métabolite secondaire: métabolite qui ne sert...

BCM2503 Métabolisme moléculaire Cours 7: Métabolites secondaires et antibiotiques  Définition: Métabolite primaire: impliqué dans de nombreux réactions – débit élevée Métabolite secondaire: métabolite qui ne sert plus à des réactions (et qui d’habitude est excrété) – débit faible (exemple?) E I A K F J B D O G L C N H M Métabolites secondaires = statiques (il n’y a plus de flux) = déchets (excrétion), mais aussi: = « produits » Si les déchets semblent inévitables, le synthèse des « produits » est souvent complexe et énergétiquement coûteuse. En fait, un individu peut a priori très bien vivre sans ce « produit ». Il serait cependant surprenant, si l’évolution aurait gardée (ou: développé) de tels procès métaboliques « inutiles ». En fait, leur production comprend de nombreuses étapes « secondaires » (qui ne servant pas à autre chose). On peut donc penser que les « produits » sont utiles pour l’organisme qui les produit. P Q R S T U X En règle générale, ces « produits » sont des toxines, colorants, odorants…  Métabolites secondaires Comme ils « coutent cher » (en production), leur présence peut indiquer une bonne santé métabolique. En quelque sorte, ils peuvent être du « luxe ». Effectivement, une coloration intensive peut faire parti des critères de choix de partenaire chez des vertébrés (poissons, oiseaux…). Elle corrèle avec un bon état de santé général de l’individu.  Métabolites secondaires Souvent, des métabolites secondaires servent à la communication – compétitive ou mutualiste - souvent inter-espèces! Il sont donc des rôles écologiques. Il s’agit alors par exemple de toxines de défense (vers des prédateurs, mais aussi compétiteurs), colorants, odorants, aromates, etc comme avertissant et/ou attractants, ou « armes biologiques ».  Métabolites secondaires Il s’agit alors par exemple de toxines de défense (vers des prédateurs, mais aussi compétiteurs), colorants, odorants, aromates, etc comme avertissant et/ou attractants, ou « armes biologiques ». Ils sont particulièrement bien étudiés chez les plantes, bactéries, et champignons, mais existent tout à fait chez les animaux, surtout avertébrés.  Métabolites secondaires Les métabolites secondaires sont souvent « intéressants » pour l’humain. Exemple: Caféine Wright et al. (2013) Science 339, 1202  Et non pas seulement pour l’humain: herbe aux chats « catnip » https://bit.ly/3pdVEpp  Métabolites secondaires Si le métabolisme central/primaire est hautement conservé entre espèces, la synthèse de métabolites secondaires est hautement diversifié, avec des variations souvent assez subtils. Pour leur synthèse, des variations d’enzymes déjà existants au niveau du métabolisme primaire ont évoluées (souvent par fusion/duplication de gènes). Il n’y a donc PAS de réelle révolution inventive – c’est plutôt un jeu avec des variations et combinaisons. Suite à l’évolution des angiospermes (plantes à fleurs), c’est leur co-évolution avec des espèces d’insectes qui a été un des moteurs de la diversification des métabolites secondaires (comme des VOCs, mais aussi des colorants) et leurs synthèses.  Métabolites secondaires Les métabolites « de luxe » sont produites en petite quantité, et sont hiérarchisés après les métabolites centraux (primaires). Par exemple, des bactéries en produisent plutôt en phase stationnaire.  Métabolites secondaires Nombreux de métabolites secondaires se ressemblent par leurs structures chimiques (et leurs voies de synthèse) – il se regroupent donc bien dans des groupes distincts, tels que alcaloïdes, terpénoïdes, composés phénoliques, etc. Ceci n’indique pas forcément leurs fonctions (leur « bioactivité »). Les points/composés de départ pour les voies métaboliques spécialisées sont des métabolites du métabolisme central. Leurs concentrations sont souvent limitant pour la synthèse de métabolites secondaires (« bottle neck »). Ici un exemple des plantes. Les métabolites secondaires sont intéressants, par exemple pour l’industrie pharmaceutique, mais aussi la parfumerie et l’industrie agro-alimentaire (aromates, colorants). Pour les médicaments, vous en avez déjà rencontré un nombre… (statines, camphotecin/irinotecan, taxol/tamoxifen, rapamycin,….) Chez les bactéries, et les champignons, le métabolisme secondaire ressemble à celui des plantes: https://www.mdpi.com/2077-1312/7/6/176/htm Or, ils produisent quelque chose de particulièrement intéressant: des antibiotiques. Les antibiotiques sont produits particulièrement lorsque la bactérie est en compétition avec d’autres microorganismes (bactéries, ou champignons versus bactéries). Nous allons regarder de plus près quelques exemples.  antibiotiques β-lactame 2-azetidinone Pennicilline (noyau b-lactame) - groupe chimique b-lactame - Surtout contre bactéries à Gram+ - inhibition de la formation de la parois bactérienne - se fixent aux enzymes de synthèse de la paroi (pseudosubstrat) - produites par Pennicillium (champignon) - Pennicilline premier antibiotique (1928)  Tetracyclines - groupe chimique : polycétides - condensation itérative de sous-unités acétyle ou malonyle par les polycétide synthases - à spectre large contre bactéries Gram+ et Gram - - inhibition de la traduction - se fixent à la sous-unité 30S du ribosome - produites par Streptomyces (bactérie Gram+) - des dérivés semi-synthétiques existent  Macrolides Érythromycine - groupe chimique : polycétides, couplé par glucides - contre bactéries Gram- - spectre plus large que pénicilline aussi contre les intracellulaires - application dans le cas d’allergie contre b-lactames - inhibition de la traduction - se fixent à la sous-unité 50S du ribosome - produites par Streptomyces Comment synthétiser cela? D’un côté, par une grande enzyme contenant de multiples sites actives dans des domaines différentes, dont l’activité comprend plus ou moins toutes les étapes de la synthèse. Ceci existe au niveau du métabolisme primaire: un cas pertinent est la FAS (fatty acid synthase = acide gras synthase) (BCM1502…).  FAS (fatty acid synthase = acide gras synthase) (BCM1502…). KS: β-ketoacyl synthase AT: acyl transferase DH: dehydratase ER: β-enoyl reductase KR: β-ketoacyl reductase ACP: acyl carrier protein TE: thioesterase Comment synthétiser cela? Évidemment, au bout d’un tour, on n’a pas encore fait du substrat acetyl- CoA/malonyl-CoA un acide gras. Le substrat fait alors sept (7!) tours « dans » l’enzyme, avant d’être relâché: de l’acide palmitique! Ce type d’enzyme s’appelle itératif. malonyl-CoA acide palmitique Comment synthétiser cela? Ainsi, de façon itérative, fonctionnent alors des enzymes à multiples domaines comme NRPS (nonribosomal peptide synthetases) et PKS (polykétidesynthase) itératives (= PKS de type 1). Des NRPS synthétisent des métabolites secondaires circulaires. S’ils sont synthétisés de façon strictement itérative, ils sont aussi symétriques. Comment synthétiser cela? Si, au lieu de passer le substrat plusieurs fois par la même enzyme de façon itérative, on les enchaine plutôt, dans une chaine de production linéaire modulaire, on obtient beaucoup plus de possibilités de variations. Le produit peut alors être irrégulier (asymétrique), tel que la cyclosporine… Parenthèse: la cyclosporine La cyclosporine n’est PAS un antibiotique, mais toutefois un métabolite secondaire de champignon (Tolypocladium inflatum). Elle est précieuse, car un puissant inhibiteur de la réponse immune. Son utilité pour le champignon n’est pas entièrement claire. Or, la cyclosporine comme immunosuppressant permet par exemple des transplantations. Ceci illustre l’intérêt des métabolites secondaires en général! Comment synthétiser cela? Ce système de chaine modulaire plutôt que itérative est encore davantage utilisé par les PKS modulaires. Celles-ci consistent en des modules d’enzymes à multiples domaines, par exemple les modules DEBS (6-Deoxyerythronolide B Synthase), qui synthétisent le précurseur de l’érythromycine. Les macrolides et tétracyclines sont synthétisés par des PKS. Notez que les modules DEBS ressemblent toujours à la FAS! Comment synthétiser cela? La synthèse de presque tous les antibiotiques – et bien d’autres métabolites secondaires - repose sur des variations de ce thème. ACV = Alpha-aminoadipyl-cysteinyl-valine synthetase Des NRPS synthétisent par exemple des antibiotiques (tels que la Vancomycine ou l’Actinomycine), la Cyclosporine A, la Bleomycine (un cytostatique), des pigments, toxines… Des PKS synthétisent des antibiotiques (Tetracycline, Macrolides), des antifongiques (Amphothericine), la rapamycine, la Lovastatine, des aflatoxines… Comment synthétiser cela? Évidemment, cela ouvre la porte au génie biologique, voire génétique. L’intérêt ici est le design de nouveaux métabolites secondaires, tels que des antibiotiques, par des « machines » protéiques nouvelles, qui génèrent des variations inconnus à date.  Aminoglycosides/Aminosides Streptomycine - groupe chimique : 2 à 5 glucides aminés (base: D-glucose-6-phosphate) - contre bactéries à Gram- et Mycobactérium tuberculosis - inhibition de la traduction - se fixent à la sous-unité 30S du ribosome - produites par actinomycètes, p. ex. Streptomyces - Effets secondaires –> antibiotiques de réserve Comment synthétiser cela? Évidemment, les aminoglycosides sont des oligosaccharides, et donc synthétisées de façon différente. Nous n’allons pas élaborer ici. Il suffira de comprendre que nous avons seulement vus des exemples de la synthèse de métabolites secondaires. Aspects à considérer: les cibles des antibiotiques Aminoglycosides aussi Aspects à considérer: les spectres des antibiotiques Facteurs à considérer : - à spectre large ou à spectre étroit - Pénétration dans les bactéries - Pharmacocinétique dans les humains - Effets secondaires - Développement de résistance - Q/Concept: Antibiotique de réserve Pourquoi avons-nous besoin de tant d’antibiotiques différents? Tôt après leur découverte on se rendait compte, que les organismes ciblés par les antibiotiques peuvent devenir résistants à leurs effets. Depuis, le sujet ne nous quitte plus… Il émerge des bactéries résistantes contre la plupart des antibiotiques souches (multi-) résistantes Le staphylocoque multi-résistant (MRSA) 1930 souche MSSA susceptible à toutes les antibiotiques MRSA « methicillin résistant Staphylococcus aureus » 1994 souche MRSA résistante contre toutes les antibiotiques, sauf antibiotique de réserve vancomycine (… mais résistance depuis 2002) Vancomycine A - adaptation X - transfert une glycopeptide Vancomycine = antibiotique dit « de réserve » Tomasz, 2006 L’apparition de souches résistants est favorisé par: - L’utilisation inadéquate d’antibiotiques (sous-dosage) - L’utilisation très répandue d’antibiotiques, par exemple dans l’élevage du bétail Ces souches expriment souvent des « gènes de résistance ». Malheureusement, les gènes de résistance peuvent se répandre entre différentes espèces… - Le transfert des gènes de résistance implique souvent des plasmides - Plasmide -> ADN extrachromosomal, réplication autonome -> Transfert entre bactéries et espèces -> souvent plusieurs gènes de résistance sur un plasmide - Transposon -> ensemble de gènes mobiles/transposables -> comprennent souvent des gènes de résistance -> transfert entre plasmide et chromosome Les gènes de résistance expriment des protéines qui permettent de : - extraire l’antibiotique - détruire l’antibiotique - modifier la cible de l’antibiotique  Dans le cas de la destruction de l’antibiotique, il s’agit d’enzymes, comme par exemple les pennicillinases (beta-lactamases): On peut designer des antibiotiques résistants. - Pénicillinases -> spectre large ou étroit … -> résistantes contre inhibiteurs ou non -> avec ou sans métal au site actif - Céphalosporinases (aussi 3e & 4e génération) - Carbapénèmases Imipénem - 890 b-lactamases sont connues - un carbapénème puissant - résistant contre b-lactamases - antibiotique de réserve - NDM est résistant (New Delhi métallo-β-lactamase-1) Approche originale: Attaquer simultanément le mécanisme de résistance (en thérapie combinée). Par exemple: la b-lacatamase par l’acide clavulanique. Notons que l’acide clavulanique n’a PAS d’activité antibiotique directe. En regardant sa structure, avez-vous une idée du mécanisme? Acide clavulanique L’approche n’a pas été « inventée » par des biochimistes, mais par Streptomyces clavuligerus 2-azetidinone (noyau b-lactame) L’avantage des « pompes » (extraction de l’antibiotique) est que ces pompes transportent tout une classe de métabolites (et de xénobiotiques) Le principe est le même que celui des transporteurs ABC (ATP-binding cassette), aussi connu comme MDR (multidrug-resistance), qui rend des cellules tumorales résistants contre la chimiothérapie. La modification des cibles serait une mutation (par exemple cibles ARN), une protéine protectrice (qui bloque l’accès à l’antibiotique), ou l’utilisation d’autres composées dans la paroi bactérienne. Résistance à Érythromycine après méthylation enzymatique Dunkle, 2010 De façon peut-être surprenante, les gènes de résistance sont anciens! Ceci indique, que ce type de « guerre biologique/chimique » avec course aux armements n’est pas récente! Vancomycin = anciennement antibiotique « de réserve »… L’utilisation très répandue et surtout: inadéquate (sous-dosage, on-and-off) favorise alors la distribution des gènes de résistance, en maintenant une forte pression de sélection. En conséquent, l’endroit le plus susceptible d’héberger des souches MDR (multi- résistants) est…l’hôpital! Sur le bon côté, il serait peu probable qu’une résistance aux antibiotiques se maintienne en absence de pression de sélection…. À retenir: Métabolisme central: déchêts = métabolites secondaires Métabolisme spécifique ou spécialisé: métabolite secondaires Classes d’antibiotiques et leurs cibles (β-lactames, tetracyclines, macrolides, aminoglycosides) - Antibiotiques: β-lactames, tetracyclines, macrolides, aminoglycosides - Enzymes des synthèse d’antibiotiques NRPS, PKS: itératives et/ou modulaires; connaitre la FAS - Processus ciblées par les antibiotiques: (synthèse parois bactérienne/membrane, traduction, synthèse d’ARN) - notion: spectre d’activité - Résistance: mécanismes (exclusion/extraction via pompes, inactivation de l’antibiotique, altération de la cible) - Thérapie en combinaison: exemple penicilline/acide clavulanique