Анализ генетических детерминантов сидерофора иерсиниахелина иерсиний

Исследование посвящено изучению генетических детерминантов сидерофора иерсиниахелина (Ych), кодируемых ysu-кластером генов и обнаруженных только у Yersinia pestis и Yersinia pseudotuberculosis. Цель исследования – анализ генов, кодирующих биосинтез иерсиниахелина, и оценка возможности их использования для внутривидовой дифференциации иерсиний. Материалы и методы. В работе использовали полные нуклеотидные последовательности 583 штаммов Y. pestis и 300 штаммов Y. pseudotuberculosis из базы данных NCBI, а также 38 штаммов Y. pestis и 88 штаммов Y. рseudotuberculosis из коллекции ФКУЗ Ростовский-на-Дону противочумный институт Роспотребнадзора. Геномы штаммов анализировали с помощью методов биоинформатики и ПЦР in silico и in vitro. Результаты и обсуждение. Сравнение генов ysu-кластера двух видов иерсиний выявило их высокую консервативность у чумного микроба, в то время как у псевдотуберкулезного микроба обнаружены различия в структуре терминатора транскрипции генов биосинтеза Ych. Как выяснилось, терминатор содержит тандемные повторы нуклеотидов, различающиеся по количеству у разных групп штаммов Y. pseudotuberculosis, что может быть использовано для внутривидовой дифференциации этих бактерий. Для оценки влияния структуры терминатора транскрипции на эффективность экспрессии Ych штаммами чумного и псевдотуберкулезного микробов сконструированы две рекомбинантные плазмиды, содержащие копии оперонов биосинтеза Ych из Y. pestis KIM и Y. pseudotuberculosis YPIII, полученные методом ПЦР. Введение рекомбинантных плазмид в штамм Escherichia coli Н1884, лишенный собственных сидерофоров, продемонстрировало, что оперон штамма YPIII определяет значительно более высокую экспрессию Ych, чем оперон штамма KIM. Результаты проведенного исследования показывают, что структура терминатора транскрипции оперона биосинтеза Ych оказывает значительное влияние на экспрессию этого сидерофора и может быть использована для внутривидовой дифференциации Y. Pseudotuberculosis при эпидемиологическом мониторинге.

1. Begg S.L. The role of metal ions in the virulence and viability of bacterial pathogens. Biochem. Soc. Trans. 2019; 47(1):77–87. DOI: 10.1042/BST20180275.

2. Khan A., Singh P., Srivastava A. Synthesis, nature and utility of universal iron chelator – siderophore: a review. Microbiol. Res. 2018; 212-213:103–11. DOI: 10.1016/j.micres.2017.10.012.

3. Prabhakar P.K. Bacterial siderophores and their potential applications: a review. Curr. Mol. Pharmacol. 2020; 13(4):295–305. DOI: 10.2174/1874467213666200518094445.

4. Khasheii B., Mahmoodi P., Mohammadzadeh A. Siderophores: importance in bacterial pathogenesis and applications in medicine and industry. Microbiol. Res. 2021; 250:126790. DOI: 10.1016/j.micres.2021.126790.

5. Holden V.I., Bachman M.A. Diverging roles of bacterial siderophores during infection. Metallomics. 2015; 7(6):986–95. DOI: 10.1039/c4mt00333k.

6. McRose D.L., Seyedsayamdost M.R., Morel F.M.M. Multiple siderophores: bug or feature? J. Biol. Inorg. Chem. 2018; 23(7):983–93. DOI: 10.1007/s00775-018-1617-x.

7. Zhu J., Wang T., Chen L., Du H. Virulence factors in hypervirulent Klebsiella pneumoniae. Front. Microbiol. 2021; 12: 642484. DOI: 10.3389/fmicb.2021.642484.

8. Perry R.D., Fetherston J.D. Yersiniabactin iron uptake: mechanisms and role in Yersinia pestis pathogenesis. Microbes Infect. 2011; 13(10):808–17. DOI: 10.1016/j.micinf.2011.04.008.

9. Forman S., Paulley J.T., Fetherston J.D. Cheng Y.-Q., Perry R.D. Yersinia ironomics: comparison of iron transporters among Yersinia pestis biotypes and its nearest neighbor, Yersinia pseudotuberculosis. Biometals. 2010; 23(2):275–94. DOI: 10.1007/s10534-009-9286-4.

10. Rakin A., Schneider L., Podladchikova O. Hunger for iron: the alternative siderophore iron scavenging systems in highly virulent Yersinia. Front. Cell. Inf. Microbiol. 2012; 2:151. DOI: 10.3389/fcimb.2012.00151.

11. Кузнецова Д.А., Подладчикова О.Н. Клонирование и экспрессия генов биосинтеза сидерофора иерсиниахелина Yersinia pestis в клетках Escherichia coli. Бактериология. 2018; 3(1):36–44. DOI: 10.20953/2500-1027-2018-1-36-44.

12. Brickman T.J., Armstrong S.K. Temporal signaling and differential expression of Bordetella iron transport systems: the role of ferrimones and positive regulators. Biometals. 2009; 22(1):33–41. DOI: 10.1007/s10534-008-9189-9.

13. Кузнецова Д.А., Рыкова В.А., Подладчикова О.Н. Роль сидерофора иерсиниахелина в физиологии Yersinia pestis. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; 4:75–81. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-4-75-81.

14. Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. М.: ЗАО «Шико»; 2013. 560 с.

15. Schwyn B., Neilands J.B. Universal chemical assay for the detection and determination of siderophores. Anal. Biochem. 1987; 160(1):47–56. DOI: 10.1016/0003-2697(87)90612-9.

16. Кузнецова Д.А., Водопьянов А.С., Подладчикова О.Н., Рыкова В.А., Трухачев А.Л. SiderophoreAnalyzer – программа для выявления генов, отвечающих за синтез сидерофоров, в полногеномных нуклеотидных последовательностях энтеробактерий. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022680676 от 03.11.2022.

17. Ray-Soni A., Bellecourt M.J., Landick R. Mechanisms of bacterial transcription termination: all good things must end. Annu. Rev. Biochem. 2016; 85:319–47. DOI: 10.1146/annurev-biochem-060815-014844.

18. Bogdanovich T., Carniel E., Fukushima H., Skurnik M. Use of O-antigen gene cluster-specific PCRs for the identification and O-genotyping of Yersinia pseudotuberculosis and Yersinia pestis. J. Clin. Microbiol. 2003; 41(11):5103–12. DOI: 10.1128/JCM.41.11.5103-5112.2003.

19. Somova L.M., Antonenko F.F., Timchenko N.F., Lyapun I.N. Far eastern scarlet-like fever is a special clinical and epidemic manifestation of Yersinia pseudotuberculosis infection in Russia. Pathogens. 2020; 9(6):436. DOI: 10.3390/pathogens9060436.

20. Han Y., Fang H., Liu L., Zhou D. Genetic regulation of Yersinia pestis. Adv. Exp. Med. Biol. 2016; 918:223–56. DOI: 10.1007/978-94-024-0890-4_8.

21. Nadiras C., Eveno E., Schwartz A., Figueroa-Bossi N., Boudvillain M. A multivariate prediction model for Rho-dependent termination of transcription. Nucleic Acids Res. 2018; 46(16):8245–60. DOI: 10.1093/nar/gky563.

22. Chen J., Morita T., Gottesman S. Regulation of transcription termination of small RNAs and by small RNAs: molecular mechanisms and biological functions. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2019; 9:201. DOI: 10.3389/fcimb.2019.00201.

23. Chhakchhuak P.I.R., Sen R. In vivo regulation of bacterial Rho-dependent transcription termination by the nascent RNA. J. Biol. Chem. 2022; 298(6):102001. DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102001.