Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66681910.31857/S0016675823080039XSJCWKГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВReaction of Bifidobacterium longum subsp. infantis Strain ATCC 15697 to Oxidative StressРеакция штамма Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697 на окислительный стрессAverinaO. V.АверинаО. В.olgavr06@mail.ruKovtunA. S.КовтунА. С.olgavr06@mail.ruMavletovaD. A.МавлетоваД. А.olgavr06@mail.ruZiganshinR. H.ЗиганшинР. Х.olgavr06@mail.ruDanilenkoV. N.ДаниленкоВ. Н.olgavr06@mail.ruVavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of SciencesИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наукShemyakin and Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук0108202359889891326022025Copyright ©; 2023, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, Д.А. Мавлетова, Р.Х. Зиганшин, В.Н. ДаниленкоCopyright ©; 2023, О.В. Аверина, А.С. Ковтун, Д.А. Мавлетова, Р.Х. Зиганшин, В.Н. Даниленко2023О.В. Аверина, А.С. Ковтун, Д.А. Мавлетова, Р.Х. Зиганшин, В.Н. ДаниленкоО.В. Аверина, А.С. Ковтун, Д.А. Мавлетова, Р.Х. Зиганшин, В.Н. Даниленкоhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/666819

The genus Bifidobacterium is one of the predominant bacterial populations in human gut microbiota. Despite the increasing number of studies on the beneficial functionality of bifidobacteria for human health, knowledge about their antioxidant potential is still insufficient. The role of the antioxidant potential of bifidobacteria in maintaining the homeostasis of the intestinal microbiota of the host organism as a whole is an important task that requires solutions. For the first time, this paper presents the data of genomic, transcriptomic and proteomic analyses of probiotic strains Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697 after the action of oxidative stress. The growing culture of strain was exposed to hydrogen peroxide for 2 hours and oxygen for 2 and 4 hours. Preliminary genome analysis of the strain showed the presence of 18 genes encoding a known protein with antioxidant function, as in other complied genomes of B. longum subsp. infantis strains available in the international database. The complete transcriptome analysis revealed an increase in transcript levels by more than two times for 6 genes with a known antioxidant function. The data of quantitative proteomic analysis showed an increase in protein levels by more than two times for five enzymes with a known antioxidant function. 28 other proteins with increased levels more than twice were identified in the cells of the growing culture in response to the long action of oxygen. These proteins can be involved in the processes of the cell’s response to stress, the amino acids, nucleotides metabolism and transport processes. Six proteins with unknown functions, which may play a significant role in the antioxidant response of anaerobic bifidobacteria, were found to have high levels in the cells after the action of stress. The obtained data are supposed to be used in the selection of B. longum subsp. infantis strains and the creation of pharmacobiotics able to correct the composition of the microbiota.

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.

bifidobacteriagenomic analysistranscriptomic analysisproteomic analysisoxidative stress.бифидобактериигеномный анализтранскриптомный анализпротеомный анализокислительный стресс.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/fuaa010Arboleya 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.2016.01204Averina 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/ijms21239234Danilenko 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.S333887Averina 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/biomedicines9101340Domej 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.S51226Calabrese 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.2017.10.379Kawasaki 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/B978-0-12-805060-6.00007-7Shimamura 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)78105-3Huang 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.2019.05.015Xiao 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.0.044297-0Klijn 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.2005.04.010Blazheva 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/S1022795422090058Wong 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/BM2017.0031Sela 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.0809584105Turroni 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.2022.04.004Andrews S., Fast Q.C. A Quality Control Tool for High Throughput Sequence Data. Available online: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/ fastqcBolger 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/btu170Madden 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-xBuchfink 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-xKim 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. giab008. 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. btac166. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btac166Kulak 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.2834Ma 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.1196Zuo 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/s41598-018-35286-7Horsburgh 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)02462-9Zeller 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/s00114-006-0106-1Koster W. Cytoplasmic membrane iron permease systems in the bacterial cell envelope // Front. Biosci. 2005. V. 1. № 10. P. 462–477. https://doi.org/10.2741/1542MacDonald 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/10.1080/07315724.2000.10718082Raimondi 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/10.1155/2016/8654317Mayo B., van Sinderen D. Bifidobacteria: Genomics and Molecular Aspects / Eds Mayo B., van Sinderen D. Norfolk, UK: Caister Acad. Press, 2010. 260 p.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/10.1089/152308604771978354Belle 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.0605420103Zolkiewski 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.274.40.28083Полуэктова 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/S0016675822090120Averina 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.2015.07.007Hilario 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