Рациональный биоинформатический подход к анализу функциональных свойств метаболитов пробиотических микроорганизмов на основе реконструкции генных сетей

Важное направление промышленной микробиологии – создание штаммов пробиотиков, обладающих ценными потребительскими свойствами. Индустрия пробиотиков является одним из наиболее динамично развивающихся сегментов пищевой и фармацевтической промышленности. Стеариновая (октадекановая) кислота C18:0 – один из основных метаболитов в клеточно-свободном супернатанте бактерии Streptococcus thermophilus, широко используемой в производстве различных ферментированных молочнокислых продуктов, включая йогурт и сыр. S. thermophilus влияет не только на текстуру и вкусовые свойства продуктов, но и обладает различными пробиотическими эффектами, в том числе антиоксидантной активностью, модуляцией кишечной микробиоты, ингибированием определенных патогенов и  др. Предполагается, что ряд пробиотических эффектов, которыми обладает S. thermophilus, может быть опосредован именно через октадекановую кислоту, как основной метаболит. Октадекановая кислота C18:0, как и другие длинноцепочечные жирные кислоты, поступает в организм человека с использованием различных механизмов белок-опосредованного транспорта и пассивной диффузии через мембрану клеток. В клетке стеариновая кислота не только служит субстратом для синтеза триглицеридов и других сложных липидов, но и, как показано на клеточных и in vivo моделях, является модулятором сигнальных и стресс-ответов, связанных в том числе с апоптозом. Это один из важных аспектов влияния стеариновой кислоты на функционирование организма, определяющий противовоспалительный и потенциально противоопухолевый эффекты. Однако молекулярно-генетические механизмы влияния октадекановой кислоты как пробиотика на организм человека в этом отношении остаются недостаточно изученными. В настоящем исследовании с помощью разработанной нами ранее информационно-программной системы ANDSystem, использующей методы машинного обучения и искусственного интеллекта и предназначенной для автоматического извлечения знаний из научных текстов и баз данных, были реконструированы генные сети регуляции внутреннего (митохондриального) и внешнего (индуцируемого рецепторами смерти) пути апоптоза клеток человека под влиянием стеариновой кислоты. Для поиска метаболитов, продуцируемых пробиотическими микроорганизмами, обладающих полезными терапевтическими свойствами, разработан новый поход, включающий реконструкцию генных сетей и анализ дифференциально экспрессирующихся генов. На его основе было показано, что стеариновая кислота, продуцируемая S. thermophilus, контролирует как внешний, так и внутренний пути апоптоза через регуляцию экспрессии гена PTGS2, кодирующего фермент циклооксигеназу-2. Полученные данные позволяют рассматривать циклооксигеназу-2 как один из центральных регуляторов, опосредующих влияние стеариновой кислоты на экспрессию генов апоптоза. В работе предложен рациональный биоинформатический подход к поиску новых штаммов, обладающих пробиотическим потенциалом, на основе оценки действия продуцируемых ими метаболитов на целевые биологические процессы в клетках человека через реконструкцию генных сетей.

1. Aardema H., van Tol H.T.A., Wubbolts R.W., Brouwers J.F.H.M., Gadella B.M., Roelen B.A.J. Stearoyl-CoA desaturase activity in bovine cumulus cells protects the oocyte against saturated fatty acid stress. Biol Reprod. 2017;96(5):982-992. doi 10.1095/biolreprod.116.146159

2. Anderson C.M., Stahl A. SLC27 fatty acid transport proteins. Mol Aspects Med. 2013;34(2-3):516-528. doi 10.1016/j.mam.2012.07.010

3. Bento C., Andersson M.K., Aman P. DDIT3/CHOP and the sarcoma fusion oncoprotein FUS-DDIT3/TLS-CHOP bind cyclin-dependent kinase 2. BMC Cell Biol. 2009;10:89. doi 10.1186/1471-2121-10-89

4. Bragina E.Y., Gomboeva D.E., Saik O.V., Ivanisenko V.A., Freidin M.B., Nazarenko M.S., Puzyrev V.P. Apoptosis genes as a key to identification of inverse comorbidity of Huntington’s disease and cancer. Int J Mol Sci. 2023;24(11):9385. doi 10.3390/ijms24119385

5. Cao D., Luo J., Chen D., Xu H., Shi H., Jing X., Zang W. CD36 regulates lipopolysaccharide-induced signaling pathways and mediates the internalization of Escherichia coli in cooperation with TLR4 in goat mammary gland epithelial cells. Sci Rep. 2016;6:23132. doi 10.1038/srep23132. Erratum in: Sci Rep. 2019;9(1):6457. doi 10.1038/s41598-019-42156-3

6. Chen Y., Zhang J., Cui W., Silverstein R.L. CD36, a signaling receptor and fatty acid transporter that regulates immune cell metabolism and fate. J Exp Med. 2022;219(6):e20211314. doi 10.1084/jem.20211314

7. Cui Y., Xu T., Qu X., Hu T., Jiang X., Zhao C. New insights into various production characteristics of Streptococcus thermophilus strains. Int J Mol Sci. 2016;17(10):1701. doi 10.3390/ijms17101701

8. Demenkov P.S., Mukhin A.M., Ivanisenko V.A., Lashin S.A., Kolchanov N.A. The “Microbiotech” digital platform: architecture and purpose. Problems of Informatics. 2024;4:27-36. doi 10.24412/2073-0667-2024-4-27-36 (in Russian)

9. Evans L.M., Cowey S.L., Siegal G.P., Hardy R.W. Stearate preferentially induces apoptosis in human breast cancer cells. Nutr Cancer. 2009;61(5):746-753. doi 10.1080/01635580902825597

10. Glatz J.F.C., Nabben M., Luiken J.J.F.P. CD36 (SR-B2) as master regulator of cellular fatty acid homeostasis. Curr Opin Lipidol. 2022; 33(2):103-111. doi 10.1097/MOL.0000000000000819

11. Grujović M.Ž., Semedo-Lemsaddek T., Marković K.G. Application of probiotics in foods: a comprehensive review of benefits, challenges, and future perspectives. Foods. 2025;14(17):3088. doi 10.3390/foods14173088

12. Gupta R., Kadhim M.M., Turki J.A., Obayes A.M., Aminov Z., Alsaikhan F., Ramírez-Coronel A.A., Ramaiah P., Tayyib N.A., Luo X. Multifaceted role of NF-κB in hepatocellular carcinoma therapy: molecular landscape, therapeutic compounds and nanomaterial approaches. Environ Res. 2023;228:115767. doi 10.1016/j.envres.2023.115767

13. Houten S.M., Violante S., Ventura F.V., Wanders R.J.A. The biochemistry and physiology of mitochondrial fatty acid β-oxidation and its genetic disorders. Annu Rev Physiol. 2016;78:23-44. doi 10.1146/annurev-physiol-021115-105045

14. Hung T.-Y., Chen H.-H., Wu C.-Y., Hsu H.-T., Hsueh Y.-P., Kuan Y.-H. Stearic acid activates microglia and impairs memory via NF-κB signaling. Neurobiol Dis. 2023;182:106121. doi 10.1016/j.nbd.2023. 106121

15. Ivanisenko T.V., Saik O.V., Demenkov P.S., Ivanisenko N.V., Savostianov A.N., Ivanisenko V.A. ANDDigest: a new web-based module of ANDSystem for the search of knowledge in the scientific literature. BMC Bioinformatics. 2020;21(Suppl.11):228. doi 10.1186/s12859-020-03557-8

16. Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. New ANDDigest with improved AI-based short-name recognition. Int J Mol Sci. 2022;23(23):14934. doi 10.3390/ijms232314934

17. Ivanisenko V.A., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Likhoshvai V.A., Kolchanov N.A. ANDSystem: an Associative Network Discovery System. BMC Syst Biol. 2015;9(Suppl.2):S2. doi 10.1186/1752-0509-9-S2-S2

18. Ivanisenko V.A., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Saik O.V., Kolchanov N.A. A new version of ANDSystem with tissue-specific functionality. BMC Bioinformatics. 2019;20(Suppl.1):34. doi 10.1186/s12859-018-2567-6

19. Ivanisenko V.A., Rogachev A.D., Makarova A.A., Basov N.V., Gaisler E.V., Kuzmicheva I.N., Demenkov P.S., … Kolchanov N.A., Plesko V.V., Moroz G.B., Lomivorotov V.V., Pokrovsky A.G. AI-assisted identification of primary and secondary metabolomic markers for postoperative delirium. Int J Mol Sci. 2024;25(21):11847. doi 10.3390/ijms252111847

20. Kamp F., Hamilton J.A. pH gradients across phospholipid membranes caused by fast flip-flop of un-ionized fatty acids. Proc Natl Acad Sci USA. 1992;89(23):11367-11370. doi 10.1073/pnas.89.23.11367

21. Kolchanov N.A., Ignatyeva I.V., Podkolodnaya O.A., Likhoshvai V.A., Matushkin V.G. Gene networks. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2013;17(4/2):833-850 (in Russian)

22. Lau L.Y.J., Quek S.Y. Probiotics: health benefits, food application, and colonization in the human gastrointestinal tract. Food Bioeng. 2024;3(1):41-64. doi 10.1002/fbe2.12078

23. Lin X.M., Luo W., Wang H., Li R.Z., Huang Y.S., Chen L.K., Wu X.P. The role of prostaglandin-endoperoxide synthase-2 in chemoresistance of non-small cell lung cancer. Front Pharmacol. 2019;10:836. doi 10.3389/fphar.2019.00836

24. Liu C.H., Chang S.H., Narko K., Trifan O.C., Wu M.T., Smith E., Haudenschild C., Lane T.F., Hla T. Overexpression of cyclooxygenase-2 is sufficient to induce tumorigenesis in transgenic mice. J Biol Chem. 2001;276(21):18563-18569. doi 10.1074/jbc.M010787200

25. Liu J., Hu S., Cui Y., Sun M.K., Xie F., Zhang Q., Jin J. Saturated fatty acids up-regulate COX-2 expression in prostate epithelial cells via toll-like receptor 4/NF-κB signaling. Inflammation. 2014;37(2): 467-477. doi 10.1007/s10753-013-9760-6

26. Luo Z., Zhang X., Zeng W., Su J., Yang K., Lu L., Lim C.B., Tang W., Wu L., Zhao S., Jia X., Peng C., Chen X. TRAF6 regulates melanoma invasion and metastasis through ubiquitination of Basigin. Oncotarget. 2016;7(6):7179-7192. doi 10.18632/oncotarget.6886

27. Mashek D.G., Li L.O., Coleman R.A. Long-chain acyl-CoA synthetases and fatty acid channeling. Future Lipidol. 2007;2(4):465-476. doi 10.2217/17460875.2.4.465

28. Minville-Walz M., Pierre A.S., Pichon L., Bellenger S., Fèvre C., Bellenger J., Tessier C., Narce M., Rialland M. Inhibition of stearoylCoA desaturase 1 expression induces CHOP-dependent cell death in human cancer cells. PLoS One. 2010;5(12):e14363. doi 10.1371/journal.pone.0014363

29. Newton K., Strasser A., Kayagaki N., Dixit V.M. Cell death. Cell. 2024;187(2):235-256. doi 10.1016/j.cell.2023.11.044

30. Paton C.M., Ntambi J.M. Biochemical and physiological function of stearoyl-CoA desaturase. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2009; 297(1):E28-E37. doi 10.1152/ajpendo.90897.2008

31. Richieri G.V., Kleinfeld A.M. Unbound free fatty acid levels in human serum. J Lipid Res. 1995;36(2):229-240. doi 10.1016/S0022- 2275(20)39899-0

32. Richieri G.V., Anel A., Kleinfeld A.M. Interactions of long-chain fatty acids and albumin: determination of free fatty acid levels using the fluorescent probe ADIFAB. Biochemistry. 1993;32(29):7574-7580. doi 10.1021/bi00080a032

33. Ritchie M.E., Phipson B., Wu D., Hu Y., Law C.W., Shi W., Smyth G.K. limma powers differential expression analyses for RNA-sequencing and microarray studies. Nucleic Acids Res. 2015;43(7):e47. doi 10.1093/nar/gkv007

34. Saba R., Sorensen D.L., Booth S.A. MicroRNA-146a: a dominant, negative regulator of the innate immune response. Front Immunol. 2014;5:578. doi 10.3389/fimmu.2014.00578

35. Saik O.V., Nimaev V.V., Usmonov D.B., Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Lavrik I.N., Ivanisenko V.A. Prioritization of genes involved in endothelial cell apoptosis by their implication in lymphedema using an analysis of associative gene networks with ANDSystem. BMC Med Genomics. 2019;12(Suppl.2):47. doi 10.1186/s12920-019-0492-9

36. Shen M.C., Zhao X., Siegal G.P., Desmond R., Hardy R.W. Dietary stearic acid leads to a reduction of visceral adipose tissue in athymic nude mice. PLoS One. 2014;9(9):e104083. doi 10.1371/journal.pone.0104083

37. Shen X., Miao S., Zhang Y., Guo X., Li W., Mao X., Zhang Q. Stearic acid metabolism in human health and disease. Clin Nutr. 2025; 44:222-238. doi 10.1016/j.clnu.2024.12.012

38. Sherman B.T., Hao M., Qiu J., Jiao X., Baseler M.W., Lane H.C., Imamichi T., Chang W. DAVID: a web server for functional enrichment analysis and functional annotation of gene lists (2021 update). Nucleic Acids Res. 2022;50(W1):W216-W221. doi 10.1093/nar/gkac194

39. Sudheer A., Dastidar D.G., Ghosh G., Taj Z., Nidhin I.K., Chattopadhyay I. Comprehensive genomics, probiotic, and antibiofilm potential analysis of Streptococcus thermophilus strains isolated from homemade and commercial dahi. Sci Rep. 2025;15(1):7089. doi 10.1038/s41598-025-90999-w

40. Terpou A., Papadaki A., Lappa I.K., Kachrimanidou V., Bosnea L.A., Kopsahelis N. Probiotics in food systems: significance and emerging strategies towards improved viability and delivery of enhanced beneficial value. Nutrients. 2019;11(7):1591. doi 10.3390/nu11071591

41. Vendel Nielsen L., Krogager T.P., Young C., Ferreri C., Chatgilialoglu C., Jensen O.N., Enghild J.J. Effects of elaidic acid on lipid metabolism in HepG2; dataset GSE34045. PLoS One. 2013;8(9): e74283. doi 10.1371/journal.pone.0074283

42. Yang Y., Huang J., Li J., Yang H., Yin Y. Effects of stearic acid on proliferation, differentiation, apoptosis, and autophagy in porcine intestinal epithelial cells. Curr Mol Med. 2020;20(2):157-166. doi 10.2174/1566524019666190917144127

43. Yin Q., Shen L., Qi Y., Song D., Ye L., Peng Y., Wang Y., Jin Z., Ning G., Wang W., Lin D., Wang S. Decreased SIRT1 expression in the peripheral blood of patients with Graves’ disease. J Endocrinol. 2020;246(2):161-173. doi 10.1530/JOE-19-0501

44. Yu C., Chen P., Miao L., Di G. The role of the NLRP3 inflammasome and programmed cell death in acute liver injury. Int J Mol Sci. 2023;24(4):3067. doi 10.3390/ijms24043067