1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 59, № 8, 2023

Генетика, 2023, T. 59, № 8, стр. 898-913

Реакция штамма Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697 на окислительный стресс

О. В. Аверина 1, *, А. С. Ковтун 1, Д. А. Мавлетова 1, Р. Х. Зиганшин 2, В. Н. Даниленко 1

1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
119991 Москва, Россия

2 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
117997 Москва, Россия

* E-mail: olgavr06@mail.ru

Поступила в редакцию 20.02.2023
После доработки 14.03.2023
Принята к публикации 15.03.2023

Аннотация

Бифидобактерии являются преобладающей популяцией в микробиоте кишечника человека. Несмотря на растущее число данных о полезных свойствах бифидобактерий для здоровья человека, знаний об их антиоксидантном потенциале по-прежнему недостаточно. Роль антиоксидантного потенциала бифидобактерий в поддержании гомеостаза микробиоты кишечника организма хозяина в целом – важнейшая задача, требующая решений. Впервые представлены результаты геномного, транскриптомного и протеомного анализов штамма Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697 после действия окислительного стресса. Растущую культуру штамма подвергали воздействию перекиси водорода в течение двух часов и кислорода в течение двух и четырех часов. Предварительный анализ генома штамма показал наличие 17 генов, кодирующих белки с известной антиоксидантной функцией, как и в других геномах B. longum subsp. infantis, доступных в международной базе данных NCBI. Полнотранскриптомный анализ выявил увеличение уровней транскриптов более чем в 2 раза для шести генов с известной антиоксидантной функцией. Данные количественного протеомного анализа показали повышение уровней белков более чем в 2 раза для пяти ферментов с известной антиоксидантной функцией. Более 28 других белков с повышенными уровнями более чем в 2 раза были идентифицированы в клетках растущей культуры штамма в ответ на продолжительное действие кислорода. Эти белки могут быть вовлечены в процессы ответа клетки на стресс, метаболизм аминокислот, нуклеотидов и в транспортные процессы. В клетках после действия стресса выявлен высокий уровень у шести белков с неизвестными функциями, которые могут играть значимую роль в антиоксидантной защите анаэробных бифидобактерий. Полученные данные предполагается применить при отборе штаммов B. longum subsp. infantis и создании на их основе фармабиотиков, способных корректировать состав микробиоты.

Ключевые слова: бифидобактерии, геномный анализ, транскриптомный анализ, протеомный анализ, окислительный стресс.

Список литературы

  1. Wong C.B., Odamaki T., Xiao J.Z. Insights into the reason of Human-Residential Bifidobacteria (HRB) being the natural inhabitants of the human gut and their potential health promoting benefits // FEMS Microbiol. Rev. 2020. V. 44. P. 369–385. https://doi.org/10.1093/femsre/fuaa010

  2. Arboleya S., Watkins C., Stanton C., Ross R.P. Gut bifidobacteria populations in human health and aging // Front. Microbiol. 2016. V. 7. e1204. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01204

  3. Averina O.V., Zorkina Y.A., Yunes R.A. et al. Bacterial metabolites of human gut microbiota correlating with depression // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 23. 9234. https://doi.org/10.3390/ijms21239234

  4. Danilenko V., Devyatkin A., Marsova M. et al. Common inflammatory mechanisms in COVID-19 and Parkinson’s diseases: The role of microbiome, pharmabiotics and postbiotics in their prevention // J. Inflamm. Res. 2021. V. 14. P. 6349–6381. https://doi.org/10.2147/JIR.S333887

  5. Averina O.V., Poluektova E.U., Marsova M.V., Danilenko V.N. Biomarkers and utility of the antioxidant potential of probiotic lactobacilli and bifidobacteria as representatives of the human gut microbiota // Biomedicines. 2021. V. 9. № 10. P. 1340. https://doi.org/10.3390/biomedicines9101340

  6. Domej W., Oetll K., Renner W. Oxidative stress and free radicals in COPD-Implications and relevance for treatment // Int. J. Chronic Obstr. Pulm. Dis. 2014. V. 9. P. 1207–1224. https://doi.org/10.2147/COPD.S51226

  7. Calabrese V., Santoro A., Monti D. et al. Aging and Parkinson’s Diasease: Inflammaging, neuroinflammation and biological remodeling as key factors in pathogenesis // Free Radic. Biol. Med. 2018. V. 115. P. 80–91. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2017.10.379

  8. Kawasaki S., Watanabe M., Fukiya S., Yokota A. Stress responses of bifidobacteria: oxygen and bile acid as the stressors. The bifidobacteria and related organisms // Biol. Taxon. Appl. 2018. V. 10. P. 131–143. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-805060-6.00007-7

  9. Shimamura S., Abe F., Ishibashi N. et al. Between oxygen sensitivity and oxygen metabolism of Blfldobacterium species // J. Dairy Sci. 1992. V. 75. № 12. P. 3296–3306. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(92)78105-3

  10. Huang G., Pan H., Zhu Z., Li Q. The complete genome sequence of Bifidobacterium longum LTBL16, a potential probiotic strain from healthy centenarians with strong antioxidant activity // Genome. 2020. V. 112. P. 769–773. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2019.05.015

  11. Xiao M., Xu P., Zhao J. et al. Oxidative stress-related responses of Bifidobacterium longum subsp. longum BBMN68 at the proteomic level after exposure to oxygen // Microbiology. 2011. V. 157. P. 1573–1588. https://doi.org/10.1099/mic.0.044297-0

  12. Klijn A., Mercenier A., Arigoni F. Lessons from the genomes of bifidobacteria // FEMS Microbiol. Rev. 2005. V. 29. P. 491–509. https://doi.org/10.1016/j.femsre.2005.04.010

  13. Blazheva D., Mihaylova D., Averina O.V. et al. Antioxidant potential of probiotics and postbiotics: A biotechnological approach to improving their stability // J. Gen. 2022. V. 58. № 9. P. 1036–1050. https://doi.org/10.1134/S1022795422090058

  14. Wong C., Sugahara H., Odamaki T., Xiao J. Different physiological properties of human-residential and non-human-residential bifidobacteria in human health // Benef. Microbes. 2018. V. 9. P. 111–122. https://doi.org/10.3920/BM2017.0031

  15. Sela D.A., Chapman J., Adeuya A. et al. The genome sequence of Bfidobacterium longum subsp. infantis reveals adaptations for milk utilization within the infant microbiome // PNAS. 2008. V. 105. № 48. P. 18964–18969. https://doi.org/10.1073/pnas.0809584105

  16. Turroni F., Ventura M., van Sinderen D. Opinion Insights into endogenous Bifidobacterium species in the human gut microbiota during adulthood // Trends in Microbiol. 2022. V. 30. № 10. P. 940–947. https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.04.004

  17. Andrews S., Fast Q.C. A Quality Control Tool for High Throughput Sequence Data. Available online: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/ fastqc

  18. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: A flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. V. 30. P. 2114–2120. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170

  19. Madden T.L., Tatusov R.L., Zhang J. Applications of network BLAST server // Methods Enzymol. 1996. V. 266. P. 131–141. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(96)66011-x

  20. Buchfink B., Reuter K., Drost H.G. Sensitive protein alignments at tree-of-life scale using DIAMOND // Nature Meth. 2021. V. 18. P. 366–368. https://doi.org/10.1038/s41592-021-01101-x

  21. Kim D., Paggi J.M., Park C. et al. Graph-based genome alignment and genotyping with HISAT2 and HISAT-genotype // Nat. Biotechnol. 2019. V. 37. № 8. P. 907–915. https://doi.org/10.1038/s41587-019-0201-4

  22. Danecek P., Bonfield J.K., Liddle J. et al. Twelve years of SAMtools and BCFtools // Gigascience. 2021. V. 10. giab008. https://doi.org/10.1093/gigascience/giab008

  23. Putri G.H., Anders S., Pyl P.T. et al. Analysing high-throughput sequencing data in Python with HTSeq 2.0 // Bioinformatics. 2022. btac166. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btac166

  24. Kulak N.A., Pichler G., Paron I. et al. Minimal, encapsulated proteomic-sample processing applied to copy-number estimation in eukaryotic cells // Nature Meth. 2014. V. 11. № 3. P. 319–324. https://doi.org/10.1038/nmeth.2834

  25. Ma B., Zhang K., Hendrie C. et al. PEAKS: powerful software for peptide de novo sequencing by tandem mass spectrometry // Rapid. Commun. Mass Spectrom. 2003. V. 17. № 20. P. 2337–2342. https://doi.org/10.1002/rcm.1196

  26. Zuo F., Yu R., Xiao M. et al. Transcriptomic analysis of Bifidobacterium longum subsp. longum BBMN68 in response to oxidative shock // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 17085. https://doi.org/10.1038/s41598-018-35286-7

  27. Horsburgh M.J., Wharton S.J., Karavolos M., Foster S.J. Manganese: Elemental defence for a life with oxygen // Trends Microbiol. 2002. V. 10. P. 496–501. https://doi.org/10.1016/s0966-842x(02)02462-9

  28. Zeller T., Klug G. Thioredoxins in bacteria: Functions in oxidative stress response and regulation of thioredoxin genes // Naturwissenschaften. 2006. V. 93. P. 259–266. https://doi.org/10.1007/s00114-006-0106-1

  29. Koster W. Cytoplasmic membrane iron permease systems in the bacterial cell envelope // Front. Biosci. 2005. V. 1. № 10. P. 462–477. https://doi.org/10.2741/1542

  30. MacDonald H.B. Conjugated linoleic acid and disease prevention: A review of current knowledge // J. Am. Coll. Nutr. 2000. V. 19. № 2. P. 1115–1185. https://doi.org/10.1080/07315724.2000.10718082

  31. Raimondi S., Amaretti A., Leonardi A. et al. Conjugated linoleic acid production by bifidobacteria: screening, kinetic, and composition // Biomed. Res. Int. 2016. 8654317. https://doi.org/10.1155/2016/8654317

  32. Mayo B., van Sinderen D. Bifidobacteria: Genomics and Molecular Aspects / Eds Mayo B., van Sinderen D. Norfolk, UK: Caister Acad. Press, 2010. 260 p.

  33. Fernandes A.P., Holmgren A. Glutaredoxins: Glutathione-dependent redox enzymes with functions far beyond a simple thioredoxin backup system // Antiox. Redox Sign. 2004. V. 6. № 1. P. 63–74. https://doi.org/10.1089/152308604771978354

  34. Belle A., Tanay A., Bitincka L. et al. Quantification of protein half-lives in the budding yeast proteome // PNAS. 2006. V. 103. № 35. P. 13004–13009. https://doi.org/10.1073/pnas.0605420103

  35. Zolkiewski M. ClpB cooperates with DnaK, DnaJ, and GrpE in suppressing protein aggregation: A novel multi-chaperone system from Escherichia coli // J. Biol. Chem. 1999. V. 274. P. 28083–28086. https://doi.org/10.1074/jbc.274.40.28083

  36. Полуэктова Е.У., Мавлетова Д.А., Одорская М.В. и др. Сравнительный геномный, транскриптомный и протеомный анализ штамма Limosilactobacillus fermentum U-21, перспективного для создания фармабиотика // Генетика. 2022. Т. 58. № 9. С. 1029–1041. https://doi.org/10.31857/S0016675822090120

  37. Averina O.V., Alekseeva M., Shkoporov A., Danilenko V. Functional analysis of the type II toxin–antitoxin systems of the MazEF and RelBE families in Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697 // Anaerobe. 2015. V. 35. P. 59–67. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2015.07.007

  38. Hilario E., Li Y., Niks D., Fan L. The structure of a Xanthomonas general stress protein involved in citrus canker reveals its flavin-binding property // Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr. 2012. V. 68. P. 846–853. https://doi.org/10.1107/S0907444912014126

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал