Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66681810.31857/S0016675823080106XTXIFDГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВTranscriptomic Analysis of the Levilactobacillus brevis 47f Strain under Oxidative StressТранскриптомный анализ штамма Levilactobacillus brevis 47f в условиях окислительного стрессаPouektovaE. U.ПолуэктоваЕ. У.epolu@vigg.ruAverinaO. V.АверинаО. В.epolu@vigg.ruKovtunA. S.КовтунА. С.epolu@vigg.ruDanilenkoV. N.ДаниленкоВ. Н.epolu@vigg.ruVavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of SciencesИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук0108202359888889726022025Copyright ©; 2023, Е.У. Полуэктова, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, В.Н. ДаниленкоCopyright ©; 2023, Е.У. Полуэктова, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, В.Н. Даниленко2023Е.У. Полуэктова, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, В.Н. ДаниленкоЕ.У. Полуэктова, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, В.Н. Даниленкоhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/666818

Levilactobacillus brevis 47f is a heterofermentative aerotolerant lactic acid bacterium isolated from the microbiota of the gastrointestinal tract of a healthy person. Previously, the strain showed anti-inflammatory properties and protects the murine intestine from enteropathy induced by 5-fluorouracil as part of preclinical studies. At the same time, the molecular mechanisms that account for the properties of the strain and its response to the action of reactive oxygen species, remain unexplored. The aim of this work was to study the response of the strain to the action of oxidizing agents – hydrogen peroxide and oxygen – using the method of transcriptional RNAseq analysis. Both oxidants exhibited a strong effect on the strain, increasing or decreasing the expression of several hundred genes – both general and specific for each oxidant. The characteristics of proteins whose expression was increased the most (DE ≥ 5) are provided. The genes activated under the action of both oxidants encode proteins related to stress, antioxidant activity, protein and nucleotide repair, cell wall, carbohydrate transport and metabolism, and catabolic energy storage pathways. Peroxide mainly activated the transcription of defense proteins, namely, stress response and molecular chaperones, antioxidant activity, DNA repair, and proteins involved in the formation of the cell wall. Under aerobic conditions, the genes that encode proteins involved in energy conversion (the use of fatty acids, nucleosides, fructose in addition to glucose as an energy source; proteins of the phosphoketolase pathway) and the import of peptides, amino acids, and sugars, were activated to a large extent. The data obtained in this work will be used by us to conduct an integrated analysis of transcriptomic, proteomic, and metabolomic data derived from this strain. This will make a significant contribution to the creation of a pharmacobiotic based on L. brevis 47f for the treatment of various inflammatory diseases.

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.

transcriptomic analysisLevilactobacillus brevishydrogen peroxideaerobic growth.транскриптомный анализLevilactobacillus brevisперекись водородааэробный рост.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/s12864-019-5783-1Kim 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/s10068-020-00853-0Stankovic 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/ijms23105547Kumar 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/10.1080/10715762.2022.2155518Danilenko 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.S333887Yunes 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/S0003683822050179Sporer 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-061516-044453Zotta 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.13399Zotta 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.2018.02.017Bryukhanov 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/S0026261722601439Yunes 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.2016.10.011Marsova 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/s11274-018-2410-2Marsova 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/microorganisms8060876Olekhnovich 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-xDeMan 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.xBolger 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/btu170Kim 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/s41587-019-0201-4Danecek 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/giab008Putri 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/btac166Averina 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/biomedicines9101340Basu 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.00453-19Zhang 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/s00253-020-10407-3Huang 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.2015-9993Zhang 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/s10529-018-2523-6Kilstrup 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.2005.04.006Tozzi 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.xDe Carvalho C.C.C.R., Caramujo M.J. The various roles of fatty acids // Molecules. 2018. V. 23. № 10. https://doi.org/10.3390/molecules231025832018Winkler 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.0021438Maresca 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.2018.00157Zhai 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.2019.103389Полуэктова 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/S0016675822090120Stevens 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.00136-08Eikmeyer 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