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

Генетика, 2023, T. 59, № 8, стр. 888-897

Транскриптомный анализ штамма Levilactobacillus brevis 47f в условиях окислительного стресса

Е. У. Полуэктова 1, *, О. В. Аверина 1, А. С. Ковтун 1, В. Н. Даниленко 1

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

* E-mail: epolu@vigg.ru

Поступила в редакцию 16.02.2023
После доработки 10.03.2023
Принята к публикации 15.03.2023

Аннотация

Levilactobacillus brevis 47f – гетероферментативная аэротолерантная молочнокислая бактерия, выделенная из микробиоты желудочно-кишечного тракта здорового человека. В комплексе доклинических исследований штамм проявил противовоспалительные свойства в отношении мукозита слизистой оболочки тонкого и толстого кишечника, индуцированного 5-фторурацилом. Вместе с тем молекулярные механизмы, определяющие свойства штамма и, в частности, его реакцию на воздействие активных форм кислорода, остаются неизученными. Задачей данной работы было исследовать реакцию штамма на действие окислителей – перекиси водорода и кислорода – методом транскрипционного RNAseq-анализа. Оба окислителя оказали сильное действие на штамм, увеличивая или снижая экспрессию нескольких сот генов – как общих, так и специфических для каждого оксиданта. Приведена характеристика белков с наиболее увеличенной экспрессией (ДЭ ≥ 5). Гены, активизирующиеся при действии обоих оксидантов, кодируют белки стресса, антиоксидантной защиты, репарации белков и нуклеотидов, клеточной стенки, транспорта и метаболизма углеводов, катаболических путей запасания энергии. При действии перекиси активизируется транскрипция в основном белков защиты: стрессового ответа и молекулярных шаперонов, антиоксидантной активности, репарации ДНК, а также белков, участвующих в формировании клеточной стенки. В аэробных условиях в значительной степени активизируются гены, определяющие белки преобразования энергии (использование в качестве источника энергии, помимо глюкозы, фруктозы, жирных кислот, нуклеозидов; белки фосфокетолазного пути) и импорта пептидов, аминокислот, сахаров. Полученные в настоящей работе результаты будут использованы нами при интегрированном анализе совокупности транскриптомных, протеомных и метаболомных данных по данному штамму. Это внесет значительный вклад в создание на основе L. brevis 47f фармабиотика для лечения различных воспалительных заболеваний.

Ключевые слова: транскриптомный анализ, Levilactobacillus brevis, перекись водорода, аэробный рост.

Список литературы

  1. Feyereisen M., Mahony J., Kelleher P. et al. Comparative genome analysis of the Lactobacillus brevis species // BMC Genomics. 2019. V. 20. № 1. Article 416. https://doi.org/10.1186/s12864-019-5783-1

  2. Kim K.T., Yang S.J., Paik H.D. Probiotic properties of novel probiotic Levilactobacillus brevis KU15147 isolated from radish kimchi and its antioxidant and immune-enhancing activities // Food Sci. Biotechnol. 2021. V. 30. P. 257–265. https://doi.org/10.1007/s10068-020-00853-0

  3. Stankovic M., Veljovic K., Popovic N. et al. Lactobacillus brevis BGZLS10-17 and Lb. plantarum BGPKM22 exhibit anti-inflammatory effect by attenuation of NF-κB and MAPK signaling in human bronchial epithelial cells // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 10. https://doi.org/10.3390/ijms23105547

  4. Kumar S., Praneet N.S., Suchiang K. Lactobacillus brevis MTCC 1750 enhances oxidative stress resistance and lifespan extension with improved physiological and functional capacity in Caenorhabditis elegans via the DAF-16 pathway // Free Radic. Res. 2022. V. 56. № 7–8. P. 555–571. https://doi.org/10.1080/10715762.2022.2155518

  5. 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

  6. Yunes R.A., Poluektova E.U., Belkina T.V., Danilenko V.N. Lactobacilli: Legal regulation and prospects for new generation drugs // Appl. Biochem. Microbiol. 2022. V. 58. P. 652–664.https://doi.org/10.1134/S0003683822050179

  7. Sporer A.J., Kahl L.J., Price-Whelan A., Dietrich L.E.P. Redox-based regulation of bacterial development and behavior // Ann. Rev. Biochem. 2017. V. 86. P. 777–797. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-061516-044453

  8. Zotta T., Parente E., Ricciardi A. Aerobic metabolism in the genus Lactobacillus: Impact on stress response and potential applications in the food industry // J. Appl. Microbiol. 2017. V. 122. № 4. P. 857–869. https://doi.org/10.1111/jam.13399

  9. Zotta T., Ricciardi A., Ianniello R.G. et al. Aerobic and respirative growth of heterofermentative lactic acid bacteria: A screening study // Food Microbiol. 2018. V. 76. P. 117–127. https://doi.org/10.1016/j.fm.2018.02.017

  10. Bryukhanov A.L., Klimko A.I., Netrusov A.I. Antioxidant properties of lactic acid bacteria // Microbiology. 2022. V. 91. P. 463–478. https://doi.org/10.1134/S0026261722601439

  11. Yunes R.A., Poluektova E.U., Dyachkova M.S. et al. GABA production and structure of gadB/gadC genes in Lactobacillus and Bifidobacterium strains from human microbiota // Anaerobe. 2016. V. 42. P. 197–204. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2016.10.011

  12. Marsova M., Abilev S., Poluektova E., Danilenko V. A bioluminescent test system reveals valuable antioxidant properties of lactobacillus strains from human microbiota // World J. Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 34. № 2. Article 27. https://doi.org/10.1007/s11274-018-2410-2

  13. Marsova M., Odorskaya M., Novichkova M. et al. The Lactobacillus brevis 47f strain protects the murine intestine from enteropathy induced by 5-fluorouracil // Microorganisms. 2020. V. 8. № 6. https://doi.org/10.3390/microorganisms8060876

  14. Olekhnovich E.I., Batotsyrenova E.G., Yunes R.A. et al. The effects of Levilactobacillus brevis on the physiological parameters and gut microbiota composition of rats subjected to desynchronosis // Microbial. Cell Factories. 2021. V. 20. Article 226. https://doi.org/10.1186/s12934-021-01716-x

  15. DeMan J.C., Rogosa M., Sharpe M.E. A medium for the cultivation of lactobacilli // J. Appl. Microbiol. 1960. V. 23. № 1. P. 130–135. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.1960.tb00188.x

  16. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: A flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. V. 30. № 15. P. 2114–2120. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170

  17. 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

  18. Danecek P., Bonfield J.K., Liddle J. et al. Twelve years of SAMtools and BCFtools // Gigascience. 2021. V. 10. № 2. https://doi.org/10.1093/gigascience/giab008

  19. Putri G.H., Anders S., Pyl P.T. et al. Analysing high-throughput sequencing data in Python with HTSeq 2.0 // Bioinformatics. 2022. https://doi.org/0.1093/bioinformatics/btac166

  20. 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. https://doi.org/10.3390/biomedicines9101340

  21. Basu Thakur P., Long A.R., Nelson B.J. et al. Complex responses to hydrogen peroxide and hypochlorous acid by the probiotic bacterium Lactobacillus reuteri // mSystems. 2019. V. 4. № 5. https://doi.org/10.1128/mSystems.00453-19

  22. Zhang C., Gui Y., Chen X. et al. Transcriptional homogenization of Lactobacillus rhamnosus hsryfm 1301 under heat stress and oxidative stress // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2020. V. 104. № 6. P. 2611–2621. https://doi.org/10.1007/s00253-020-10407-3

  23. Huang R., Pan M., Wan C. et al. Physiological and transcriptional responses and cross protection of Lactobacillus plantarum ZDY2013 under acid stress // J. Dairy Sci. 2016. V. 99. № 2. P. 1002–1010. https://doi.org/10.3168/jds.2015-9993

  24. Zhang C., Lu J., Yang D. et al. Stress influenced the aerotolerance of Lactobacillus rhamnosus hsryfm 1301 // Biotechnol. Lett. 2018. V. 40. P. 729–735. https://doi.org/10.1007/s10529-018-2523-6

  25. Kilstrup M., Hammer K., Jensen P.R., Martinussen J. Nucleotide metabolism and its control in lactic acid bacteria // FEMS Microbiol. Rev. 2005. V. 29. № 3. P. 555–590. https://doi.org/10.1016/j.femsre.2005.04.006

  26. Tozzi M.G., Camici M., Mascia L. et al. Pentose phosphates in nucleoside interconversion and catabolism // FEBS J. 2006. V. 273. № 6. P. 1089–1101. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2006.05155.x

  27. De Carvalho C.C.C.R., Caramujo M.J. The various roles of fatty acids // Molecules. 2018. V. 23. № 10. https://doi.org/10.3390/molecules231025832018

  28. Winkler J., Kao K.C. Transcriptional analysis of Lactobacillus brevis to N-butanol and ferulic acid stress responses // PLoS One. 2011. V. 6. № 8. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0021438

  29. Maresca D., Zotta T., Mauriello G. Adaptation to aerobic environment of Lactobacillus johnsonii/gasseri strains // Front. Microbiol. 2018. V. 9. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00157

  30. Zhai Z., Yang Y., Wang H. et al. Global transcriptomic analysis of Lactobacillus plantarum CAUH2 in response to hydrogen peroxide stress // Food Microbiol. 2020. V. 87. https://doi.org/10.1016/j.fm.2019.103389

  31. 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

  32. Stevens M.J.A., Wiersma A., de Vos W.M. et al. Improvement of Lactobacillus plantarum aerobic growth as directed by comprehensive transcriptome analysis // Appl. Environ. Microbiol. 2008. V. 74. № 15. P. 4776–4778. https://doi.org/10.1128/AEM.00136-08

  33. Eikmeyer F.G., Heinl S., Marx H. et al. Identification of oxygen-responsive transcripts in the silage inoculant Lactobacillus buchneri CD034 by RNA sequencing // PLoS One. 2015. V. 10. № 7. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0134149

Дополнительные материалы

скачать ESM.xlsx
Приложение 1.
Таблица 1. Гены/белки общиедля Н2О2 и О2
Таблица 2. Гены/белки специфические для Н2О2
Таблица 3. Гены/белки специфические для О2

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал