Biochemistry and molecular biology of galactoside transport and metabolism in lactic acid bacteria

Abstract - Until a few years ago the description of the pathways of transport and metabolism of galactosides in lactic acid bacteria was mainly phenomenological. Different transport and enzymatic activities had been detected but the individual components (proteins, enzymes) were largely unknown and the genes had not yet been isolated. In this paper / will address the different transport mechanisms and metabolic pathways of galactosides in lactic acid bacteria, and indicate the molecular level at which these studies have evolved. The genes encoding galactoside transport ATPases ion linked galactoside transporters and phosphoenolpyruvate:galactoside phosphotransferase systems (PTS) have been isolated and characterized from a number of lactic acid bacteria. In addition, the genes encoding subsequent steps of lactose (galactose) metabolism, ie those encoding the Leloir and Tagatose 6 phosphate pathway enzymes, have been characterized at a genetic and to some extent at a biochemical level. The genes encoding the transport proteins and metabolic enzymes are often clustered in a single operon or regulon which allows coordinate expression of the polypeptides. Transport of galactosides has most been thoroughly studied in Streptococcus thermophilus where the transport gene encodes a chimeric protein (LacS) that is composed of a carrier domain homologous to various ion linked carbohydrate transporters and a hydrophilic domain homologous to the IIA phosphoryl transfer protein of various PTSs. LacS has been extracted from membrane vesicles and functionally reconstituted into proteoliposomes, and the energetics and kinetic mechanism of transport have been analyzed. LacS mediates galactoside H⁺ symport and galactoside exchange (eg lactose / galactose exchange) of which the latter reaction is highly favoured under physiological conditions. Details of the galactoside translocation pathway have been established by studying mutant LacS proteins in which the galactoside movement is uncoupled from the H⁺ transport whereas the exchange reaction takes place normally. The data offer a rationale for the observed excretion of galactose by Gal^- and Gal⁺ strains of S thermophilus under conditions of growth in the presence of excess lactose.

Résumé - Biochimie et biologie moléculaire du transport et du métabolisme des galactosides chez les bactéries lactiques
Il y a quelques années encore, la description des voies de transport et du métabolisme des galactosides chez les bactéries lactiques était principalement phénoménologique. Des systèmes de transport et des activités enzymatiques différentes avaient été détectés, mais leurs composants individuels (protéines, enzymes) étaient pour la plupart inconnus et les gènes n'avaient pas été isolés. Dans cet article, je parlerai des différents mécanismes de transport et des voies métaboliques des galactosides des bactéries lactiques, et j'indiquerai le niveau moléculaire auquel ces études ont abouti. Les gènes codant pour les ATPases du transport des galactosides, les transporteurs ions-dépendants et les systèmes phosphoénolpyruvate:galactoside phosphotransférase (PTS) de nombreuses bactéries lactiques ont été isolés et caractérisés. De plus, les gènes codant pour les étapes suivantes du métabolisme du lactose (galactose), c'est-à-dire ceux codant pour les enzymes des voies de Leloir et du tagatose-6-phosphate, ont été caractérisés au niveau génétique et, dans une certaine mesure, au niveau biochimique. Les gènes codant pour les protéines de transport et les enzymes du métabolisme sont souvent groupés en un opéron ou régulon unique, ce qui permet leur expression coordonnée. Le transport des galactosides a été étudié de manière approfondie chez Streptococcus thermophilus où les gènes de transport codent pour une protéine-chimère (LacS) constituée d'un domaine carrier homologue à des transporteurs de glucides ions-dépendants variés, et un domaine hydrophile homologue à la protéine phosphotransférase HA de différents systèmes PTS. LacS a été extraite de vésicules membranaires et fonctionnellement reconstituée dans des protéoliposomes, et les mécanismes énergétiques et cinétiques du transport ont été analysés. LacS intervient dans le symport galactoside H⁺ et dans l'échange des galactosides (c'est-à-dire l'échange lactose / galactose), ce dernier étant hautement favorisé dans les conditions physiologiques. Les détails de la voie de translocation des galactosides ont été établis en étudiant les protéines mutantes LacS dans lesquelles le mouvement des galactosides est découplé du transport des ions H⁺ alors que la réaction d'échange se déroule normalement. Les données offrent une explication pour l'excrétion de galactose observée dans les souches Gal⁺ et Gal ^- de S thermophilus dans des conditions de croissance en présence d'un excès de lactose.