Adaptation of Lactobacillus sakei to meat: a new regulatory mechanism of ribose utilization?

Lactobacillus sakei is a lactic acid bacterium commonly found on meat and meat products. Meat is a rich substrate but contains small amounts of sugars, mainly glucose and ribose. The phosphotransferase system (PTS) is a multienzymatic complex responsible for sugar uptake. It is also involved in the regulation of metabolism through various mechanisms (catabolite activation and repression, inducer expulsion and exclusion). The ptsHI operon of L. sakei, encoding the general enzymes of the PTS, was studied and mutants were constructed. On ribose, these mutants grow twice as fast as the wild-type strain. This phenotype was never described in other bacteria and suggests that the PTS regulates ribose utilization. When compared to what is known from the regulations involving the PTS in other bacteria, this mechanism might be new. In Bacillus subtilis and Escherichia coli, in which ribose catabolism was investigated, ribose is transported by an ABC transporter, encoded by rbsABCD genes and then phosphorylated by the rbsK encoded ribose kinase. Ribose-5P is then metabolized through the pentose-P pathway involving xylulose-5P phosphoketolase and acetate kinase. Whereas phosphoketolase and acetate kinase activities remained unchanged in L. sakei ptsI mutants, ribose kinase activity and uptake were increased by a factor of 2.5 and 1.5, respectively. The target of the PTS regulation would thus be transport and/or phosphorylation of ribose. The gene cluster encoding a ribose transporter, ribose kinase and a regulator was cloned and sequenced. In L. sakei no gene encoding RbsA, RbsB or RbsC could be found. However, rbsD was present as well as a new gene rbsU, encoding a protein homologous to a glucose transporter responsible for facilitated diffusion of glucose. The rbsUDK operon is induced by ribose via the regulator RbsR encoded by rbsR located downstream of rbsUDK. In ptsI mutants, this operon was not overexpressed on ribose. This shows that the regulation of ribose utilization is not a transcriptional regulation. Upstream from the rbs operon, a gene encoding acetate kinase (ackA) was found. In other bacteria in which these genes were identified, ackA and the rbs operon are not linked. Moreover, in B. subtilis, ackA is regulated by catabolite activation whereas the rbs operon is repressed by catabolite repression, two mechanisms involving the PTS. In L. sakei, ackA and the rbs operon are adjacent on the chromosome and they are not regulated as described above. We propose that in this species, ribose and glucose utilization is regulated in a different way, allowing L. sakei to catabolize both glucose and ribose, the sole sugars present in meat.
Lactobacillus sakei est une bactérie lactique communément trouvée sur la viande et les produits carnés. Le milieu carné est un substrat particulièrement riche mais contient peu de sucres, essentiellement du glucose et du ribose. Le système des phosphotransférases (PTS) est un complexe enzymatique responsable de l'internalisation de certains sucres, et jouant un rôle régulateur du métabolisme par différents mécanismes (répression et activation cataboliques, exclusion et expulsion d'inducteur). L'opéron ptsHI de L. sakei, qui code pour les enzymes générales du PTS, a été étudié et des mutants ont été construits. Les mutants de ce système poussent 2 fois plus vite sur ribose que la souche sauvage. Ce phénotype n'avait jamais été décrit dans d'autres bactéries et suggère que le PTS régule l'utilisation du ribose. Par rapport à ce qui est connu des différentes régulations dans lesquelles est impliqué le PTS chez d'autres bactéries, ce mécanisme semblait nouveau. Chez Bacillus subtilis et Escherichia coli où le métabolisme de ce pentose a été étudié, il a été montré que le ribose est internalisé par un transporteur de type ABC, codé par les gènes rbsABCD puis phosphorylé par la ribokinase codée par rbsK. Le ribose-5P est alors métabolisé via la voie des pentoses-P impliquant la xylulose-5P phosphocétolase et l'acétate kinase. Chez les mutants ptsI de L. sakei qui poussent plus rapidement sur ribose, les activités phosphocétolase et acétate kinase sont inchangées alors que l'activité ribokinase est augmentée d'un facteur 2,5 et le transport du ribose d'un facteur 1,5. La cible de la régulation par le PTS résiderait donc au niveau du transport et/ou de la phosphorylation du ribose. L'opéron codant pour le transporteur du ribose, la ribokinase et un régulateur à été cloné et séquencé. Aucun gène équivalent à rbsA, rbsB ou rbsC n'a pu être mis en évidence. Par contre, rbsD est présent, et un nouveau gène rbsU, codant pour une protéine similaire à un transporteur du glucose, agissant par diffusion facilitée a été observé. L'opéron rbsUDK est induit par le ribose via le répresseur RbsR, dont le gène est situé en aval de rbsUDK. Dans les mutants ptsI, cet opéron n'est pas surexprimé en présence de ribose. Ceci montre que la régulation de l'utilisation du ribose par le PTS n'agit pas au niveau transcriptionnel. En amont de l'opéron rbs, un gène codant pour une acétate kinase (ackA) a été observé. Chez d'autres bactéries où ces gènes sont connus, ackA et l'opéron rbs ne sont pas liés génétiquement. Enfin, chez B. subtilis, le gène ackA est régulé par activation catabolique alors que l'opéron rbs est soumis à la répression catabolique, deux mécanismes faisant intervenir le PTS. Chez L. sakei , ackA et l'opéron rbs sont regroupés sur le chromosome et ne sont pas soumis à ces régulations. Nous proposons donc que l'utilisation du ribose et du glucose soit régulée chez cette bactérie d'une manière différente, lui permettant de métaboliser au mieux à la fois le glucose et le ribose, les deux seuls sucres présents sur la viande.