DOI: 10.1051/lait:2001119

Lait 81 (2001) 151-159

Carbamoyl-phosphate synthetases (CPS) in lactic acid bacteria and other Gram-positive bacteria

Hervé Nicoloff, Jean-Claude Hubert and Françoise Bringel

Laboratoire de Microbiologie et de Génétique UPRES A-CNRS 7010, Université Louis-Pasteur Strasbourg-I, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France

Abstract
Carbamoyl-phosphate synthetases (CPS) catalyze carbamoyl phosphate (CP) biosynthesis from glutamine, bicarbonate and ATP. CPS are formed of two subunits, a small glutaminase subunit and a large synthetase subunit. CP is a common intermediate of arginine and pyrimidine biosynthesis. CPS in prokaryotes are either arginine-regulated (CPS-A), pyrimidine-regulated (CPS-P) or regulated by both components. Two to zero CPS are present in the four lactic acid bacteria studied (Lactobacillus plantarum, Enterococcus faecalis, Lactococcus lactis and Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis). Only L. plantarum harbours two CPS with a CPS-P providing CP for both metabolic pathways. CPS-A can only supplement CP for arginine biosynthesis in higher concentrations of CO₂ or bicarbonate. The CPS-P present in L. plantarum and E. faecalis is encoded by genes within the pyr operon, and genes dispersed within the chromosome in Lc. lactis. CPS is absent in L. delbrueckii ssp. lactis and the catabolism of arginine via the arginine deiminase pathway (ADI) provides the CP for pyrimidine biosynthesis. In addition to their functional CPS-P, E. faecalis and Lc. lactis also harbour an ADI pathway so that arginine catabolism may regulate CP biosynthesis in these species. Lactic acid bacteria CPS were compared to CPS of 13 Gram-positive bacteria with sequenced or partially sequenced genomes. Most organisms harbour a CPS-P. CPS-P is also found in the few organisms (L. plantarum, B. subtilis and B. stearothermophilus) which harbour a CPS-A. The number of CPS and the organization of their genes is variable in Gram-positive bacteria.

Résumé
La diversité des carbamyl phosphate synthétases (CPS) des bactéries lactiques. Les carbamyl phosphate synthétases (CPS) sont les enzymes responsables de la biosynthèse du carbamyl phosphate (CP) à partir de glutamine, de bicarbonate et d'ATP. Les CPS sont des enzymes hétérodimériques formées d'une petite sous-unité glutaminase et d'une grande sous-unité synthétase. Le CP est un intermédiaire commun des voies de biosynthèse de l'arginine et des pyrimidines. Chez les procaryotes, il existe des CSP-A réprimées par l'arginine, des CPS-P régulées par les pyrimidines et des CPS régulées par les deux voies de biosynthèse. Dans les 4 bactéries lactiques étudiées (Lactobacillus plantarum, Enterococcus faecalis, Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis), le nombre de CPS varie de 2 à 0. L. plantarum, Lc. lactis et E. faecalis possèdent une CPS-P régulée par un mécanisme d'atténuation transcriptionnelle pyrimidine-dépendant. Les gènes codant la CPS-P sont dispersés sur le chromosome de Lc. lactis et regroupés au sein d'un opéron codant les enzymes de la voie de biosynthèse des pyrimidines chez L. plantarum et E. faecalis. L. plantarum possède également une CPS-A régulée par l'arginine, comme chez Bacillus subtilis. Une particularité de la CPS-A de L. plantarum est sa dépendance vis-à-vis du CO₂ (ou de sa forme dissoute, le bicarbonate). Cette CPS-A pourrait avoir une faible affinité pour son substrat, le bicarbonate, ou le pool intracellulaire de CO₂/bicarbonate régulerait le métabolisme du CP chez L. plantarum. Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis (anciennement Lactobacillus leichmannii) ne possède pas de CPS et c'est la dégradation de l'arginine via la voie de l'arginine déiminase (ADI) qui fournit le CP nécessaire à la biosynthèse des pyrimidines. E. faecalis et Lc. lactis possèdent une CPS-P et une voie de l'ADI et, dans ces deux organismes, le catabolisme de l'arginine pourrait réguler la biosynthèse du CP et donc des pyrimidines. Les CPS des bactéries lactiques ont été comparées aux CPS de procaryotes bien étudiés, ainsi qu'à celles de 13 bactéries à Gram-positif dont les gènes ont été révélés par le séquençage de leur génome. L'étude des différentes bactéries à Gram-positif a montré que les CPS-A, à l'inverse des autres types de CPS, semblent peu fréquentes dans ces organismes. De plus, la présence d'une CPS-A s'accompagne toujours d'une CPS-P chez les bactéries étudiées (L. plantarum, B. subtilis et B. stearothermophilus). Une grande diversité a été mise en évidence quant au nombre de CPS présentes et à l'organisation de leurs gènes.

Key words: arginine / pyrimidine biosynthesis / lactic acid bacteria / Gram-positive bacteria / carbamoyl-phosphate synthetase

Mots clés : arginine / biosynthèse des pyrimidines / bactérie lactique / Gram-positif / carbamyl phosphate synthétase

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