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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1099/ijs.0.02951-0.

5. Caroff M., Karibian D. Structure of bacterial lipopolysaccharides. Carbohydr. Res. 2003;338(23):2431-2447. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1093/bioinformatics/btq461.

12. Emms D.M., Kelly S. OrthoFinder: phylogenetic orthology inference for comparative genomics. Genome Biol. 2019;20(1):238. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1093/bioinformatics/btt086.

17. Han M.V., Zmasek C.M. phyloXML: XML for evolutionary biology and comparative genomics. BMC Bioinformatics. 2009;10:356. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1111/1574-6976.12070.

25. Kanehisa M. KEGG: Kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res.2000;28(1):27-30. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1006/JMBI.2000.4042.

34. Ofek M., Hadar Y., Minz D. Ecology of root colonizing Massilia (Oxalobacteraceae). PLoS One. 2012;7(7):e40117. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1016/j.msec.2020.111071.

42. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014;30(14):2068-2069. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1099/IJS.0.64083-0