Сравнительный генетический анализ О-антигенов бактерий семейства Oxalobacteraceae: уникальность или тривиальность?

Многие растения и животные способны устанавливать симбиотические взаимоотношения с микроорганизмами, в том числе с бактериями. Специфика этих взаимодействий может приводить к разным последствиям для организма-хозяина. Взаимоотношения могут быть нейтральными, негативными либо выгодными для одной или обеих сторон. Примечательно, что взаимоотношения бактерия-хозяин не являются статичными: они могут изменяться в течение жизни организмов и в ходе их эволюции. Одной из структур, определяющих направление изменчивости, является О-антиген. В зависимости от особенностей его компонентов бактерия может избегать иммунного ответа со стороны организма-хозяина, становясь патогеном, либо устанавливать с хозяином мутуалистические отношения. О-антиген – это ключевой компонент наружной мембраны грамотрицательных бактерий. Этот компонент обеспечивает взаимодействие между бактериями и иммунной системой хозяина или фагами. Вариабельность структуры О-антигенов тесно связана с изменчивостью генов, кодирующих компоненты его синтеза. Гены и пути синтеза О-антигенов наиболее детально изучены у бактерий из семейства Enterobacteriaceae. С учетом высокого генетического и молекулярного разнообразия этой структуры даже между штаммами эти результаты могут не отражать все разнообразие О-антигенов, представленное у немодельных видов. В настоящей работе проведен сравнительный анализ генов, участвующих в синтезе О-антигена, для бактерий из семейства Oxalobacteraceae. В отличиe от существующих исследований, преимущественно основанных на методе ПЦР, в нашей работе использован биоинформатический подход, а сравнение проведено не на уровне одиночных генов, а на уровне кластеров. Мы обнаружили, что в случае Oxalobacteraceae генетическая организация О-антигена представлена несколькими кластерами, находящимися на значительном удалении друг от друга в геноме бактерий. Наибольшее сходство кластеров наблюдалось внутри отдельных родов бактерий, что объясняется высокой изменчивостью О-антигенов. В работе описано сходство генов О-антигенов, присущее семейству в целом, а также рассмотрены отдельные уникальные случаи изменчивости их генетической структуры у отдельных бактерий.

1. Baldani J.I., Rouws L., Cruz L.M., Olivares F.L., Schmid M., Hartmann A. The family Oxalobacteraceae. In: Rosenberg E., DeLong E.F., Lory S., Stackebrandt E., Thompson F. (Eds.). The Prokaryotes. Berlin; Heidelberg: Springer, 2014;919-974. https://doi.org/10.1007/978-3-642-30197-1_291.

2. Bazhenova A., Gao F., Bolgiano B., Harding S.E. Glycoconjugate vaccines against Salmonella enterica serovars and Shigella species: existing and emerging methods for their analysis. Biophys. Rev. 2021;13(2):221-246. https://doi.org/10.1007/s12551-021-00791-z.

3. Belikov S.I., Petrushin I.S., Chernogor L.I. Genome analysis of the Janthinobacterium sp. strain SLB01 from the diseased sponge of the Lubomirskia baicalensis. Curr. Issues Mol. Biol. 2021;43(3):22202237. https://doi.org/10.3390/cimb43030156.

4. Caballero-Mellado J., Martínez-Aguilar L., Paredes-Valdez G., Estrada- de los Santos P. Burkholderia unamae sp. nov., an N2-fixing rhizospheric and endophytic species. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2004; 54(4):1165-1172. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02951-0.

5. Caroff M., Karibian D. Structure of bacterial lipopolysaccharides. Carbohydr. Res. 2003;338(23):2431-2447. https://doi.org/10.1016/j.carres.2003.07.010.

6. Cimermancic P., Medema M.H., Claesen J., Kurita K., Wieland Brown L.C., Mavrommatis K., Pati A., Godfrey P.A., Koehrsen M., Clardy J., Birren B.W., Takano E., Sali A., Linington R.G., Fischbach M.A. Insights into secondary metabolism from a global analysis of prokaryotic biosynthetic gene clusters. Cell. 2014;158(2):412421. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.06.034.

7. Daniel S.L., Moradi L., Paiste H., Wood K.D., Assimos D.G., Holmes R.P., Nazzal L., Hatch M., Knight J. Forty years of Oxalobacter formigenes, a gutsy oxalate-degrading specialist. Appl. Environ. Microbiol. 2021;87(18):e0054421. https://doi.org/10.1128/AEM.00544-21.

8. DebRoy C., Roberts E., Fratamico P.M. Detection of O antigens in Escherichia coli. Anim. Heal. Res. Rev. 2011;12(2):169-185. https://doi.org/10.1017/S1466252311000193.

9. Dhital R., Paudel A., Bohra N., Shin A.K. Herbaspirillum infection in humans: a case report and review of literature. Case Rep. Infect. Dis. 2020;2020:9545243. https://doi.org/10.1155/2020/9545243.

10. Doerrler W.T. Lipid trafficking to the outer membrane of Gram-negative bacteria. Mol. Microbiol. 2006;60(3):542-552. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2006.05130.x.

11. Edgar R.C. Search and clustering orders of magnitude faster than BLAST. Bioinformatics. 2010;26(19):2460-2461. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btq461.

12. Emms D.M., Kelly S. OrthoFinder: phylogenetic orthology inference for comparative genomics. Genome Biol. 2019;20(1):238. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1832-y.

13. Erridge C., Bennett-Guerrero E., Poxton I.R. Structure and function of lipopolysaccharides. Microbes Infect. 2002;4(8):837-851. https://doi.org/10.1016/S1286-4579(02)01604-0.

14. Feng G.-D., Yang S.Z., Li H.P., Zhu H.H. Massilia putida sp. nov., a dimethyl disulfide-producing bacterium isolated from wolfram mine tailing. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2016;66(1):50-55. https://doi.org/10.1099/IJSEM.0.000670.

15. Grillo-Puertas M., Villegas J.M., Pankievicz V.C.S., Tadra-Sfeir M.Z., Teles Mota F.J., Hebert E.M., Brusamarello-Santos L., Pedraza R.O., Pedrosa F.O., Rapisarda V.A., Souza E.M. Transcriptional resp onses of Herbaspirillum seropedicae to environmental phosphate concentration. Front. Microbiol. 2021;12:666277. https://doi.org/10.3389/FMICB.2021.666277.

16. Gurevich A., Saveliev V., Vyahhi N., Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013;29(8):10721075. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btt086.

17. Han M.V., Zmasek C.M. phyloXML: XML for evolutionary biology and comparative genomics. BMC Bioinformatics. 2009;10:356. https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-356.

18. Han W., Wu B., Li L., Zhao G., Woodward R., Pettit N., Cai L., Thon V., Wang P.G. Defining function of lipopolysaccharide O-antigen ligase WaaL using chemoenzymatically synthesized substrates. J. Biol. Chem. 2012;287(8):5357-5365. https://doi.org/10.1074/jbc.M111.308486.

19. Huerta-Cepas J., Szklarczyk D., Heller D., Hernández-Plaza A., Forslund S.K., Cook H., Mende D.R., Letunic I., Rattei T., Jensen L.J., von Mering C., Bork P. eggNOG 5.0: a hierarchical, functionally and phylogenetically annotated orthology resource based on 5090 organisms and 2502 viruses. Nucleic Acids Res. 2019;47(D1): D309-D314. https://doi.org/10.1093/nar/gky1085.

20. Hug I., Couturier M.R., Rooker M.M., Taylor D.E., Stein M., Feldman M.F. Helicobacter pylori lipopolysaccharide is synthesized via a novel pathway with an evolutionary connection to protein N-glycos ylation. PLoS Pathog. 2010;6(3):e1000819. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1000819.

21. Iguchi A., Iyoda S., Kikuchi T., Ogura Y., Katsura K., Ohnishi M., Hayashi T., Thomson N.R. A complete view of the genetic diversity of the Escherichia coli O-antigen biosynthesis gene cluster. DNA Res. 2015;22(1):101-107. https://doi.org/10.1093/dnares/dsu043.

22. Integrated Taxonomic Information System (ITIS). On-line database. www.itis.gov. (Retrieved 08.21.2022). CC0. https://doi.org/10.5066/F7KH0KBK.

23. Jung W.J., Kim S.W., Giri S.S., Kim H.J., Kim S.G., Kang J.W., Kwon J., Lee S.B., Oh W.T., Jun J.W., Park S.C. Janthinobacterium tructae sp. nov., isolated from kidney of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Pathogens. 2021;10(2):229. https://doi.org/10.3390/pathogens10020229.

24. Kalynych S., Morona R., Cygler M. Progress in understanding the assembly process of bacterial O-antigen. FEMS Microbiol. Rev. 2014; 38(5):1048-1065. https://doi.org/10.1111/1574-6976.12070.

25. Kanehisa M. KEGG: Kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res.2000;28(1):27-30. https://doi.org/10.1093/nar/28.1.27.

26. Kim J.K., Park H.Y., Lee B.L. The symbiotic role of O-antigen of Burkholderia symbiont in association with host Riptortus pedestris. Dev. Comp. Immunol. 2016;60:202-208. https://doi.org/10.1016/j.dci.2016.02.009.

27. Koh H.-W., Hur M., Kang M.-S., Ku Y.-B., Ghai R., Park S.-J. Physiological and genomic insights into the lifestyle of arsenite-oxidizing Herminiimonas arsenitoxidans. Sci. Rep. 2017;7(1):15007. https://doi.org/10.1038/s41598-017-15164-4.

28. Lim Y.W., Baik K.S., Han S.K., Kim S.B., Bae K.S. Burkholderia sordidicola sp. nov., isolated from the white-rot fungus Phanerochaete sordida. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2003;53(5):1631-1636. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02456-0.

29. Liu B., Furevi A., Perepelov A.V., Guo X., Cao H., Wang Q., Reeves P.R., Knirel Y.A., Wang L., Widmalm G. Structure and genetics of Escherichia coli O antigens. FEMS Microbiol. Rev. 2020;44(6):655-683. https://doi.org/10.1093/femsre/fuz028.

30. Liu B., Knirel Y.A., Feng L., Perepelov A.V., Senchenkova S.N., Wang Q., Reeves P.R., Wang L. Structure and genetics of Shigella O antigens. FEMS Microbiol. Rev. 2008;32(4):627-653. https://doi.org/10.1111/J.1574-6976.2008.00114.X.

31. Mistry J., Chuguransky S., Williams L., Qureshi M., Salazar G.A., Sonnhammer E.L.L., Tosatto S.C.E., Paladin L., Raj S., Richardson L.J., Finn R.D., Bateman A. Pfam: The protein families database in 2021. Nucleic Acids Res. 2021;49(D1):D412-D419. https://doi.org/10.1093/nar/gkaa913.

32. Nguyen L.T., Schmidt H.A., Von Haeseler A., Minh B.Q. IQ-TREE: a fast and effective stochastic algorithm for estimating maximumlikelihood phylogenies. Mol. Biol. Evol. 2015;32(1):268-274. https://doi.org/10.1093/MOLBEV/MSU300.

33. Notredame C., Higgins D.G., Heringa J. T-coffee: a novel method for fast and accurate multiple sequence alignment. J. Mol. Biol. 2000; 302(1):205-217. https://doi.org/10.1006/JMBI.2000.4042.

34. Ofek M., Hadar Y., Minz D. Ecology of root colonizing Massilia (Oxalobacteraceae). PLoS One. 2012;7(7):e40117. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0040117.

35. Pereira S.B., Mota R., Vieira C.P., Vieira J., Tamagnini P. Phylum-wide analysis of genes/proteins related to the last steps of assembly and export of extracellular polymeric substances (EPS) in cyanobacteria. Sci. Rep. 2015;5(1):14835. https://doi.org/10.1038/srep14835.

36. Perepelov A.V., Liu B., Senchenkova S.N., Shashkov A.S., Feng L., Wang L., Knirel Y.A. Structure of O-antigen and functional characterization of O-antigen gene cluster of Salmonella enterica O47 containing ribitol phosphate and 2-acetimidoylamino-2,6-dideoxyL-galactose. Biochemistry (Moscow). 2009;74(4):416-420. https://doi.org/10.1134/S0006297909040099.

37. Peta V., Raths R., Bücking H. Draft genome sequence of Massilia sp. strain ONC3, a novel bacterial species of the Oxalobacteraceae family isolated from garden soil. Microbiol. Resour. Announc. 2019; 8(32):e00377-19. https://doi.org/10.1128/MRA.00377-19.

38. Ren M., Li X., Zhang Y., Jin Y., Li S., Huang H. Massilia armeniaca sp. nov., isolated from desert soil. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2018; 68(7):2319-2324. https://doi.org/10.1099/IJSEM.0.002836.

39. Robinson J.T., Thorvaldsdóttir H., Winckler W., Guttman M., Lander E.S., Getz G., Mesirov J.P. Integrative genomics viewer. Nat. Biotechnol. 2011;29(1):24-26. https://doi.org/10.1038/nbt.1754.

40. Samuel G., Reeves P. Biosynthesis of O-antigens: genes and pathways involved in nucleotide sugar precursor synthesis and O-antigen assembly. Carbohydr. Res. 2003;338(23):2503-2519. https://doi.org/10.1016/j.carres.2003.07.009.

41. Sannigrahi S., Arumugasamy S.K., Mathiyarasu J., K.S. Magnetosomeanti-Salmonella antibody complex based biosensor for the detection of Salmonella typhimurium. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2020;114:111071. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111071.

42. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014;30(14):2068-2069. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu153.

43. Sheu S.Y., Chou J.H., Bontemps C., Elliott G.N., Gross E., James E.K., Sprent J.I., Young J.P.W., Chen W.M. Burkholderia symbiotica sp. nov., isolated from root nodules of Mimosa spp. native to north-east Brazil. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012;62(9):2272-2278. https://doi.org/10.1099/IJS.0.037408-0.

44. Sumrall E.T., Röhrig C., Hupfeld M., Selvakumar L., Du J., Dunne M., Schmelcher M., Shen Y., Loessner M.J. Glycotyping and specific separation of Listeria monocytogenes with a novel bacteriophage protein tool kit. Appl. Environ. Microbiol. 2020;86(13):e00612-20. https://doi.org/10.1128/AEM.00612-20.

45. Thakur N., Jain S., Changotra H., Shrivastava R., Kumar Y., Grover N., Vashistt J. Molecular characterization of diarrheagenic Escherichia coli pathotypes: Association of virulent genes, serogroups, and antibiotic resistance among moderate-to-severe diarrhea patients. J. Clin. Lab. Anal. 2018;32(5):e22388. https://doi.org/10.1002/jcla.22388.

46. Tuleski T.R., Kimball J., do Amaral F.P., Pereira T.P., Tadra-Sfeir M.Z., de Oliveira Pedrosa F., Maltempi de Souza E., Balint-Kurti P., Monteiro R.A., Stacey G. Herbaspirillum rubrisubalbicans as a phytopathogenic model to study the immune system of Sorghum bicolor. Mol. Plant Microbe Interact. 2020;33(2):235-246. https://doi.org/10.1094/ MPMI-06-19-0154-R.

47. Valvano M.A. Genetics and biosynthesis of lipopolysaccharide. In: Tang Y.-W., Sussman M., Liu D., Poxton I., Schwartzman J. (Eds.). Molecular Medical Microbiology. Academic Press, 2015;55-89. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397169-2.00004-4.

48. Wang L., Wang Q., Reeves P.R. The variation of o antigens in gramne gative bacteria. Subcell. Biochem. 2010;53:123-152. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9078-2_6.

49. Xi D., Wang X., Ning K., Liu Q., Jing F., Guo X., Cao B. O-antigen gene clusters of Plesiomonas shigelloides serogroups and its application in development of a molecular serotyping scheme. Front. Microbiol. 2019;10:741. https://doi.org/10.3389/FMICB.2019.00741.

50. Zhang Y.Q., Li W.J., Zhang K.Y., Tian X.P., Jiang Y., Xu L.H., Jiang C.L., Lai R. Massilia dura sp. nov., Massilia albidiflava sp. nov., Massilia plicata sp. nov. and Massilia lutea sp. nov., isolated from soils in China. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2006;56(2):459463. https://doi.org/10.1099/IJS.0.64083-0