ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНКУРЕНТНЫХ СВОЙСТВ ШТАММОВ ESCHERICHIA COLI В КИШЕЧНОЙ МИКРОФЛОРЕ ПАЦИЕНТОВ С БОЛЕЗНЬЮ КРОНА И ЗДОРОВЫХ ДОБРОВОЛЬЦЕВ

Синягина Мария Николаевна; Лайков Александр Владимирович; Маркелова Мария Ивановна; Булыгина Евгения Александровна; Хуснутдинова Диляра Рашидовна; Абдулхаков Сайяр Рустамович; Григорьева Татьяна Владимировна

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Научная статья

https://doi.org/10.36233/0372-9311-192

Физиолого-биохимическая и генетическая характеристика конкурентных свойств штаммов Escherichia coli в кишечной микрофлоре пациентов с болезнью Крона и здоровых добровольцев

Синягина М.Н.И, Лайков А.В., Маркелова М.И., Булыгина Е.А., Хуснутдинова Д.Р., Абдулхаков С.Р., Григорьева Т.В.

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

Аннотация

Введение. Болезнь Крона (БК) характеризуется хроническим воспалением различных отделов желудочно-кишечного тракта и сопровождается увеличением доли Escherichia coli. Однако роль E. coli в развитии заболевания остаётся невыясненной.

Цель работы — оценить конкурентные свойства штаммов E. coli, выделенных из кишечника пациентов с БК и здоровых добровольцев, и выявить биохимические и генетические детерминанты, лежащие в их основе.

Материалы и методы. Антагонистическую активность оценивали путём совместного культивирования 11 клинических штаммов E. coli, способных ингибировать рост штамма K-12, с Enterobactercloacae, Klebsiella pneumonia и Salmonella enterica. Для выяснения механизма антагонистической активности проводили оценку биохимических свойств штаммов и сравнительный геномный анализ.

Результаты и обсуждение. В геномах 11 штаммов от пациентов с БК и здоровых добровольцев, проявивших антагонистическую активность в отношении штамма E. coli K-12, выявлены гены систем продукции бактериоцинов. Выявлены 3 штамма от здоровых добровольцев, ингибирующие рост нескольких представителей семейства Enterobacteriaceae. Биохимические возможности данных штаммов характерны для типичных представителей вида E. coli. Штаммы 1_34_12, активный в отношении E. cloacae, и 1_45_11, способный подавлять рост всех протестированных энтеробактерий, филогенетически родственны лабораторному штамму K-12. Штамм 1_39_1, активный в отношении K. pneumonia и S. enterica, филогенетически близок пробиотическому штамму Nissle 1917 и содержит кластер генов биосинтеза колибактина и вариант гена fimH, повышающий адгезивную способность бактерий.

Заключение. Выявленные штаммы E. coli способны вытеснять энтеробактерии в экспериментах in vitro и могут быть использованы для дальнейшего изучения особенностей взаимодействия комменсалов друг с другом и с организмом хозяина, а также для понимания их роли в поддержании гомеостаза и развитии воспалительных реакций кишечника.

Ключевые слова: Escherichia coli, болезнь Крона, микробиота, антагонистическая активность

Этическое утверждение. Исследование проводилось при добровольном информированном согласии пациентов. Протокол исследования одобрен Этическим комитетом Казанского (Приволжского) федерального университета (протокол № 6 от 13.10.2017).

Благодарность. Авторы выражают благодарность заведующей кафедрой инфекционных болезней Казанского государственного медицинского университета, д.м.н., профессору И.В. Николаевой за предоставление изолята Salmonella enterica.

Источник финансирования. Работа выполнена за счёт средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения Государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 06712020-0058).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Для цитирования: Синягина М.Н., Лайков А.В., Маркелова М.И., Булыгина Е.А., Хуснутдинова Д.Р., Абдулхаков С.Р., Григорьева Т.В. Физиолого-биохимическая и генетическая характеристика конкурентных свойств штаммов Escherichia coli в кишечной микрофлоре пациентов с болезнью Крона и здоровых добровольцев. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2022;99(6):669-681. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-192

ORIGINAL RESEARCHES

Original article

https://doi.org/10.36233/0372-9311-192

Competitive ability of Escherichia coli strains in the intestinal microbiota of patients with Crohn's disease and healthy volunteers: physiological, biochemical and genetic characteristics

Maria N. Siniagina^, Alexander V. Laikov, Maria I. Markelova, Eugenia A. Boulygina, Dilyara R. Khusnutdinova, Sayar R. Abdulkhakov, Tatyana V. Grigoryeva

Kazan Federal University, Kazan, Russia

Annotation

Introduction. Crohn's disease (CD) is a chronic inflammation of various parts of the gastrointestinal tract with an increased proportion of Escherichia coli. However, the role of E. coli in disease remains unclear. This study aims to evaluate the competitive abilities of E. coli strains from CD patients and healthy volunteers, and to identify the biochemical and genetic determinants underlying these features.

Materials and methods. The antagonistic activity was assessed by co-cultivation of 11 clinical E. coli strains inhibiting the growth of the K-12, with Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumonia and Salmonella enterica. To elucidate the mechanism of antagonistic activity, the evaluation of biochemical properties and a comparative genomic analysis were used.

Results and discussion. Genes of bacteriocin production systems were identified in genomes of 11 strains from CD patients and healthy volunteers active against the E. coli K-12 strain. Three strains from healthy individuals demonstrated activity against several Enterobacteriaceae bacteria. The strains' biochemical properties were typical of representatives of E. coli. Strains 1_34_12, active against E. cloacae, and 1_45_11, inhibiting all tested enterobacteria, are phylogenetically related to the laboratory strain K-12. Strain 1_39_1, active against K. pneumonia and S. enterica, is phylogenetically close to the Nissle1917, contains the genes for colibactin biosynthesis and a variant of the fimH gene that increases the adhesive ability of bacteria. Conclusion. The identified E. coli strains are able to displace Enterobacteriaceae bacteria and can be used to study the bacteria-bacteria and host-bacteria interactions, to understand their role in gut homeostasis and intestinal inflammation.

Keywords: Escherichia coli, Crohn's disease, microbiota, antagonistic activity

Ethics approval. The study was conducted with the informed consent of the patients. The research protocol was approved by the Ethics Committee of the Kazan Federal University (protocol No. 6, October 16, 2017). Acknowledgement. The authors express their gratitude to the Head of the Department of infectious diseases of the Kazan State Medical University, D. Sci. (Med.), Professor I.V. Nikolaeva for providing the Salmonella enterica isolate. Funding source. The work was carried out at the expense of a subsidy allocated to Kazan Federal University for the implementation of the State task in the field of scientific activity (project No. 0671-2020-0058). Conflict of interest. The authors declare no apparent or potential conflicts of interest related to the publication of this article.

For citation: Siniagina M.N., Laikov A.V., Markelova M.I., Boulygina E.A., Khusnutdinova D.R., Abdulkhakov S.R., Grigoryeva T.V. Competitive ability of Escherichia coli strains in the intestinal microbiota of patients with Crohn's disease and healthy volunteers: physiological, biochemical and genetic characteristics. Journal of microbiology, epidemiology andimmunobiology = Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii iimmunobiologii. 2022;99(6):669-681. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-192

Введение

Желудочно-кишечный тракт человека содержит таксономически и функционально сложную микробную экосистему [1]. Микроорганизмы, заселяющие кишечник, находятся в разнообразных взаимоотношениях как с макроорганизмом, так и между собой [2]. В условиях ограниченного пространства кишечника преимуществом обладают микроорганизмы, способные использовать одно или несколько питательных веществ более эффективно, чем его конкуренты [3]. У комменсалов развились различные механизмы, позволяющие им выживать и успешно колонизировать кишечник [4].

При конкуренции за использование ресурса без прямого взаимодействия между конкурентами организмы секретируют специализированные метаболиты, такие как бактериоцины [5], нацеленные, как правило, на близкородственные организмы. При прямом контактном взаимодействии важную роль играют системы, которым не нужны специфические мишени, — система контактзависимого ингибиро-вания (contact-dependent growth inhibition — CDI) [6, 7] и система секреции 6-го типа (type 6 secretion system — T6SS) [8, 9]. Показано, что конкурентное вытеснение комменсалами микроорганизмов обеспечивает колонизационную резистентность

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

кишечника и защиту организма хозяина от патогенных микроорганизмов [10-12]. Однако нарушение гомеостаза под действием различных факторов (приём антибиотиков, бактериальная или вирусная инфекция, нарушения иммунной системы) могут приводить к дисбалансу, сопровождающемуся снижением разнообразия и сменой занимаемых экологических ниш бактериями, вызывая различные патологические процессы в кишечнике [13, 14].

Болезнь Крона (БК) — хроническое воспаление различных отделов желудочно-кишечного тракта, прогрессирующее с течением времени и характеризующееся чередой обострений и ремиссий [15, 16]. БК сопровождается нарушениями микробиоты, в частности увеличением доли Escherichia coli, однако определённые причины данного явления не выявлены. В то же время кишечная палочка является важным компонентом микробиоты и заселяет кишечник человека в течение 1-го года жизни [17, 18]. Предполагают, что патогенные штаммы используют альтернативные источники питания и занимают ниши, не занятые комменсальными бактериями [19]. Кроме того, рассматривают возможность проявления комменсальными штаммами E. coli патогенных свойств [20], поскольку бактерии содержат генетические детерминанты (факторы вирулентности), которые не только помогают им адаптироваться к новым условиям окружающей среды, но и воздействовать на организм человека, вызывая патологические процессы [21].

Цель данной работы — характеристика конкурентных свойств штаммов E. coli, выделенных из кишечника пациентов с БК и здоровых добровольцев, а также выявление биохимических и генетических детерминант, лежащих в их основе.

Материалы и методы

Нами проанализированы 11 штаммов E. coli, продемонстрировавших ранее ингибирующую активность в отношении E. coli K-12 substr. MG1655 [22] и входящих в коллекцию из 63 штаммов, выделенных из кала 32 людей (14 пациентов с БК и 18 здоровых добровольцев) и охарактеризованных нами ранее [22, 23]. Образцы кала были собраны в Университетской клинике Казанского (Приволжского) федерального университета (Медико-санитарная часть). Все пациенты были проинформированы об участии в исследовании и дали своё согласие. Исследование было рассмотрено и одобрено локальным этическим комитетом Казанского (Приволжского) федерального университета (протокол № 6 от 13.10.2017).

Для оценки антагонистической активности использовали представителей семейства Enterobac-teriaceae — изоляты Enterobacter cloacae 3_222_2 и Klebsiella pneumonia 3_219_1, выделенные из кала пациентов с БК, а также культуру Salmonella

enterica, предоставленную сотрудниками Республиканской клинической инфекционной больницы им. проф. А.Ф. Агафонова (Казань, Россия). Антагонистическую активность оценивали на плотной питательной среде согласно [24] с некоторыми модификациями. Для этого тестовую культуру бактерий смешивали с расплавленным 0,8% LB-агаром, наносили на 2% LB-агар и инкубировали в течение 30 мин при комнатной температуре до полного затвердения. По 3 мкл исходной культуры каждого штамма E. coli (OD600 = 1,0) и её разведений в 10 и 100 раз наносили на подготовленные чашки с тестовой культурой и инкубировали в течение ночи при 37°C. Эксперимент проводили в 2 повторах. Активность считали антагонистической при размере зон задержки роста тестовой культуры более 1 мм (рис. 1).

Биохимические реакции проводили с использованием коммерческого набора «ENTEROtest 24 N» («Lachema»), представляющего собой планшет с субстратами для определения утилизации аргинина, орнитина, лизина, малоната, салицина, сорбитола, мелибиозы, целлобиозы, лактозы, трегалозы, ман-нитола, дульцита, адонитола, арабитола, сахарозы, инозитола, раффинозы и эскулина, роста на цитрате Симмонса, наличия ß-галактозидазы, ß-глюкурони-дазы, ß-ксилоксидазы, уреазной активности и продукции сероводорода.

Штаммы E. cloacae и K. pneumonia выделены нами из образцов фекалий пациентов с БК и являются потенциальными конкурентами E. coli в ми-кробиоте кишечника. S. enterica служит причиной кишечных расстройств и опасна для здоровья человека. Интерпретация результатов теста по активно-

го

2 1311 о

0

1_39_1

1 1_39_12

s

| 1_44_1

3

Рис. 1. Оценка антагонистической активности исследуемых штаммов E. coli на примере совместного культивирования с E. coli K-12 substr. MG1655.

Fig. 1. E. coli antagonistic activity evaluation using co-cultivation with E. coli K-12 substr. MG1655 as an example.

Разведение | Dilution *100 x10 0

ORIGINAL RESEARCHES

Таблица 1. Антагонистическая активность 11 штаммов E. coli в отношении представителей семейства Enterobacteriaceae

Table 1. Antagonistic activity of 11 E. coli strains against other members of Enterobacteriaceae family

Конкурентный Штамм E. coli | E. coli strain

Competitive strain 1 18 1 1 25 1 1 25 14 1 34 12 1 39 1 1 45 11 36k 8 3 77 1 3 188 1 3 200 11 3 225 1

Enterobacter cloacae

Klebsiella pneumonia

Salmonella enterica

+ — +

+ +

++

сти штаммов пациентов и здоровых людей затруднена ввиду большого разнообразия обнаруженных генов бактериоцинов у E. coli и непредсказуемого влияния их друг на друга. Поэтому для оценки был использован модельный лабораторный штамм E. coli К-12 substr. MG1655.

Поиск генов, кодирующих ферменты продукции бактериоцинов и колибактина, а также T6SS и CDI в геномах штаммов E. coli проводили путём выравнивания на нуклеотидные последовательности референсных генов с использованием BLASTn (идентичность не менее 80%, длина гена более 80%, E < 10-16). Поиск нуклеотидных замен в гене fimH (адгезин) исследуемых штаммов проводили путём множественного выравнивания с использованием Clustal Omega1. Последовательность гена fimH штамма E. coli K-12 substr. MG1655 была взята в качестве референсной. Последовательности полных геномов 63 штаммов, выделенных из образцов кала 32 людей (14 пациентов с БК и 18 здоровых добровольцев), загружены в NCBI (проект PRJNA560176).

Для филогенетического анализа последовательности геномов были загружены на платформу Type (Strain) Genome Server2 [25]. При построении дерева использовали референсные геномы E. coli K-12 substr. MG1655 (GCF_904425475.1), E. coli Nissle 1917 (GCF_003546975.1), Salmonella enterica subsp. enterica str. 92-0392 (GCF_002761055.1), Enterobacter cloacae GGT036 (GCF_000770155.1), Klebsiella pneumonia subsp. pneumoniae str. HS11286 (GCF_000240185.1), доступные в базе данных NCBI3. Попарные сравнения всех геномных последовательностей производили с использованием метода Genome BLAST Distance Phylogeny (GBDP) и оценки точных межгеномных расстояний, подсчитанных с помощью алгоритма «trimming» и формулы расстояния d5 [26]. Полученные межгеномные расстояния были использованы для построения минимального дерева эволюции с поддержкой ветвей (с использованием 100 pseudo-bootstrap повторов) с по-

1 URL: https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/

2 URL: https://tygs.dsmz.de

3 URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ (дата обращения: 01.07.2021).

мощью программы FASTME 2.1.6.1 [27]. Филограм-ма была визуализирована с помощью PhyD3 [28].

Статистический анализ частоты встречаемости биохимических свойств и генов бактериоцинов проводили с помощью точного критерия Фишера; р < 0,05 принимали за уровень статистической достоверности.

Результаты и обсуждение

По результатам первичного скрининга 63 штаммов [22] антагонистическую активность в отношении лабораторного штамма E. coli K-12 substr. MG1655 проявили 11 штаммов: 4 — от пациентов с БК и 7 — от здоровых добровольцев (p > 0,05, точный критерий Фишера). В настоящей работе в качестве модели межвидовой конкуренции было проведено совместное культивирование данных штаммов с бактериями E. cloacae, K. pneumonia и S. enterica. Антагонистическую активность в отношении всех протестированных культур энтеробакте-рий проявили только штаммы, выделенные из фекалий здоровых добровольцев (табл. 1). В отношении E. cloacae были активны штаммы 1_34_12 и

1_45_11, рост K. pneumonia и S. enterica подавляли

штаммы 1_39_1 и 1_45_11. Таким образом, были

отобраны 3 штамма E. coli от здоровых добровольцев, проявившие способность вытеснять конкурентные микроорганизмы in vitro.

Микробиота кишечника в значительной степени детерминирована спектром питательных веществ, зависящих от диеты хозяина [29]. В ряде работ продемонстрированы различия в структуре микробиоты кишечника сельских и городских жителей [30, 31]. Питательные вещества в кишечнике варьируют во времени и пространстве [32], поэтому метаболическая гибкость и способность использовать разные субстраты являются важными стратегиями для выживания бактерий в условиях постоянных колебаний состава питательных веществ [33]. По результатам анализа биохимических свойств не выявлено статистически значимых различий в способности утилизировать субстраты среди штаммов от пациентов с БК и здоровых добровольцев. В обеих группах присутствовали штаммы, утилизирующие адонитол и арабитол, но не способные утили-

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

углерода для E. coli [34], а также штамм 3_225_1, который, как и штамм 3_200_11, не утилизирует ме-либиозу. Можно предположить, что мелибиоза даёт конкурентное преимущество бактериям при колонизации кишечника.

В ходе анализа геномов у всех конкурентных штаммов обнаружены гены систем продукции бак-териоцинов, дающих внутри- и межвидовое конкурентное преимущество при колонизации кишечника [5, 35] (табл. 3). Геномы штаммов пациентов с БК содержат полные кластеры генов продукции микро-

цинов J25 (штамм 3_77_1) и H47 (штамм 3_188_1),

а также гены, необходимые для продукции коли-цинов А (штамм 3_200_11) и К (штамм 3_225_1). Штаммы здоровых добровольцев содержат полные кластеры генов продукции микроцинов С7 (штамм

1_39_1), В17 (штамм 36к_8), J25 (штамм 36к_8),

H47 (штаммы 1_34_12, 1_39_1, 36к_8) и М (штамм 1_34_12), а также колицинов А (штаммы 1_25_1, 1_25_14, 1_34_12), В (штамм 3_77_1), Е1 (штамм

I I Да | Yes | | Нет | No

Штамм E. coli | E. coli strain 1-18-1

1-25-1

1-25-14

1-34-12

1-39-1

1-45-11

36k-8

3-77-1*

3-188-1*

3-200-11*

3-225-1*

K-12 substr.

MG1655

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 2. Биохимические свойства клинических штаммов E. coli, проявивших антагонистическую активность в отношении представителей семейства Enterobacteriaceae. *Штаммы от пациентов с БК. E. coli K-12 substr. MG1655 — контрольный штамм. Fig. 2. Biochemical properties of clinical E. coli strains showing antagonistic activity against Enterobacteriaceae. *Strains from patients with Crohn's disease. E. coli K-12 substr. MG1655 is a control strain.

зировать лактозу. Данные биохимические свойства являются редкими для E. coli и встречаются у 5% представителей вида согласно определителю бактерий Берджи [34]. Стоит отметить, что три штамма, способные подавлять рост E. cloacae, K. pneumonia и/или S. enterica, обладают типичными биохимическими свойствами, характерными для вида E. coli. Штаммы 1_45_11 и 1_34_12 способны ферментировать сорбит, лактозу, маннит, мелибиозу, трегалозу, а также обладают ß-галактозидазной и ß-глюкурони-дазной активностью и содержат аргининдигидрола-

зу и лизиндекарбоксилазу (рис. 2). Штамм 1_39_1,

кроме того, способен утилизировать орнитин.

Согласно результатам подсчёта КОЕ, 8 из 11 штаммов доминируют в микробном сообществе кишечника участников исследования (табл. 2). Минорную долю в кишечном сообществе составляют штаммы 1_25_14 и 3_200_11, что, вероятно, связано с неспособностью утилизировать данными штаммами лактозу, являющуюся важнейшим источником

ORIGINAL RESEARCHES

Таблица 2. Доля штаммов, проявивших антагонистическую активность в отношении E. coli К-12, в кишечном сообществе участников исследования

Table 2. The proportion of strains that showed antagonistic activity against E. coli K-12 in the intestinal community of study participants

Штамм E. coli | E. coli strain Источник выделения штамма Source of strain isolation Доля в сообществе, % Proportion in the community, %

1_18_1 Здоровый доброволец Healthy volunteer 96

1_25_1 Здоровый доброволец Healthy volunteer 97,3

1_25_14 Здоровый доброволец Healthy volunteer 0,8

1_34_12 Здоровый доброволец Healthy volunteer 79,5

1_39_1 Здоровый доброволец Healthy volunteer 95

1_45_11 Здоровый доброволец Healthy volunteer 84,5

36k_8 Здоровый доброволец Healthy volunteer 84,7

3_77_1 Пациент с БК | CD patient 100

3_188_1 Пациент с БК | CD patient 100

3_200_11 Пациент с БК | CD patient 24

3_225_1 Пациент с БК | CD patient 16

1_45_11), Ia (штамм 1_45_11), Ib (штамм 1_45_11),

К (штамм 1_18_1) и М (штамм 1_45_11). Микро-

цин J25 неэффективен в отношении E. cloacae, K. pneumonia и S. enterica [36]. Кроме того, синтез микроцинов J25, I47 и H47 ингибируется в условиях культивирования на богатой питательной среде [37, 38], а синтез микроцина В17 индуцируется в условиях азотного голодания [39], что может объяснять неспособность штаммов 36к_8, 3_77_1 и 3_188_1, содержащих данные системы, подавлять рост E. cloacae, K. pneumonia и S. enterica. Таким образом, можно предположить, что активность штамма 1_39_1 в отношении K. pneumonia и

S. enterica связана с кластером генов продукции микроцина С7, что соответствует данным литературы [40]. Способность штамма 1_34_12 ингибировать рост E. cloacae может быть опосредована системой продукции микроцина М. Интересно, что штамм 1_45_11 не содержит систем продукции микроцинов, однако ингибирует рост S. enterica, что, вероятно, связано с наличием у него генов колицинов Ia, Ib и M, которые, согласно данным литературы, эффективны в отношении сальмонелл [41]. Кроме того, в недавнем исследовании показано, что E. co-li, содержащие гены продукции данных колицинов, подавляют рост S. enterica и K. pneumoniae [42].

Геномный анализ показал, что ни один из 11 штаммов не несёт кластеры генов систем прямого контактного взаимодействия CDI [7], а кластеры генов T6SS [43] обнаружены только в 1 штамме от здорового добровольца (36k_8). Поскольку данный штамм не содержит гены колицинов, а имеющиеся кластеры продукции микроцинов (В17, H47) неактивны на богатой питательной среде, использованной в исследовании, можно предположить, что конкуренция штамма с другими бактериями опосредована T6SS. Однако связь генов продукции

бактериоцинов и T6SS с антагонистической активностью требует дальнейшего подтверждения путём оценки экспрессии генов обнаруженных систем либо путём детекции конечного продукта.

Среди других факторов, ассоциированных с выживанием бактерий в сообществе, только у штамма 1_39_1 обнаружен кластер генов pks, необходимый для биосинтеза и транспорта колибак-тина — вторичного метаболита, описанного преимущественно для патогенных штаммов семейства Enterobacteriaceae [44-46] и индуцирующего дву-цепочечные разрывы ДНК в эукариотических клетках [47]. Однако инактивация гена clbA pks--острова в геноме пробиотического штамма E. coli Nissle 1917 приводит к существенному ослаблению его терапевтических свойств [48].

Для оценки адгезивного потенциала 11 штаммов были изучены варианты гена адгезина fimH, способствующего прикреплению бактериальной клетки к эпителиоцитам, поскольку некоторые точечные мутации в гене fimH (G73A/E/R/W, T158A/P, R166C/H/S) ассоциированы с фенотипической адгезией бактерий [49]. Среди всех штаммов только в

гене fimH штамма 1_39_1 была обнаружена замена

R166C/H, дающая конкурентное преимущество при колонизации кишечника.

Проведён филогенетический анализ штаммов, подавляющих рост нескольких протестированных представителей семейства Enterobacteriaceae. Оказалось, что штаммы 1_34_12 и 1_45_11 филогенетически близки лабораторному штамму K-12 substr.

MG1655, а штамм 1_39_1 родственен известному

пробиотическому штамму Nissle 1917 (рис. 3).

Таким образом, в настоящем исследовании был проведён анализ микробных взаимодействий 11 клинических штаммов (4 от пациентов с БК и 7 от здоровых добровольцев) с некоторыми предста-

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Таблица 3. Гены систем продукции бактериоцинов, обнаруженные у 11 штаммов E. coli, проявивших

антагонистическую активность в отношении представителей семейства Enterobacteriaceae

Table 3. Genes for bacteriocin production systems found in E. coli strains that showed antagonistic activity against

Enterobacteriaceae

Штаммы E. coli | E. coli strain

Фактор Ген Функция от здоровых добровольцев from healthy individuals от пациентов с БК from patients with CD

Bacteriocin Gene Function 1_34_12 1_39_1 1_45_11 1_18_1 1_25_1 1_25_14 36k_8 3_77_1 3_188_1 3_200_11 3_225_1

Колицин | Colicin

A caa Колицин A (неполный) | Colicin A (incomplete) + - - — + + - - + + -

cai Иммунитет к колицину | Colicin А immunity + - + — + + - + + + -

B cba cbi Колицин B | Colicin B Иммунитет к колицину | Colicin B immunity — - + + - - - - + + - - -

E1 cea imm lys Колицин E1 | Colicin E1 Иммунитет к колицину | Colicin E1 immunity Белок лизиса | Lysis - - + + + - - - - - - - -

Ia cia iia, imm Колицин Ia | Colicin Ia Иммунитет к колицину | Colicin Ia immunity - - + + - - - - - - - -

Ib cib Колицин Ib | Colicin Ib Иммунитет к колицину | Colicin Ib immunity + - + + - + - - - + -

K cka cki ckl Колицин K | Colicin K Иммунитет к колицину | Colicin K immunity Белок лизиса | Lysis - - - + + + - - - - - - + + +

M cma cmi Колицин M | Colicin M Иммунитет к колицину | Colicin M immunity — - + + - - - - + + - - -

Микроцин | Microcin

Класс I | Class I

C7 mccA Микроцин C7 | Microcin C7 mccF Иммунитет к микроцину | Self-immunity mccD Посттрансляционные модификации Post-translation modifications mccC Экспорт микроцина | Export mccE Посттрансляционные модификации Post-translation modifications mccB Посттрансляционные модификации Post-translation modifications - + + + + + +

J25 mcjA Микроцин J25 | Microcin J25 mcjD Экспорт микроцина, иммунитет Export, self-immunity - - - - - - + + + + - - -

ORIGINAL RESEARCHES

Продолжение табл. 3 | Continuation of the Table 3

Фактор Bacteriocin Ген Gene Функция Function Штаммы E. coli | E. coli strain

от здоровых добровольцев from healthy individuals от пациентов с БК from patients with CD

1I34J2 1-39J 1I45J1 1J8J 1-25J 1I25J4 36^8 I1 r^ «о1 3J88J 3I200J1 3I225J

mcjB Процессинг микроцина | Processing mcjC Процессинг микроцина | Processing + + + + - - -

Класс IIa V cvaC Колицин V | Colicin V cvi Иммунитет к колицину | Self-immunity cvaB Синтез колицина | Synthesis cvaA Секреция колицина | Secretion Class + IIa + - - - - + + + + + - -

Класс IIb H47 mchB Предшественник микроцина H47 Microcin H47 precursor mchC Процессинг микроцина | Processing mchD Посттрансляционные модификации Post-translation modifications mchE Секреция микроцина | Secretion mchF Секреция микроцина | Secretion mchX Регуляции экспресии микроцина Regulation of expression mchI Иммунитет к микроцину | Self-immunity Class + + + + + + + IIb + + + + + + + - - - - + + + + + + + - + + + + + + + - -

I47 mchS2 Предшественник микроцина I47 Microcin I47 precursor mchS3 Белок иммунитета к микроцину Self-immunity mchS4 Регуляция экспрессии микроцина Regulation of expression + + + + - - - - + + + - + + + - -

M mcmA Предшественник микроцина M Microcin M precursor mcml/ Иммунитет к микроцину | Self-immunity mcmA mcmK Посттрансляционные модификации Post-translation modifications mcmL Посттрансляционные модификации Post-translation modifications mcmM Процессинг микроцина и экспорт Processing and export + + + + + + + + - - - - + + + - + + + - -

вителями семейства Enterobacteriaceae. В отличие от штаммов здоровых добровольцев, штаммы пациентов с БК не проявили антагонистической активности в отношении E. cloacae, K. pneumonia и S. enterica, несмотря на то что содержат гены, необходимые для продукции некоторых бактериоцинов, что, вероятно, связано с особенностями метода проведения анализа. Гены систем продукции бактериоцинов являются важными факторами колонизации кишечника бактерий и связаны с их пробио-тическими свойствами [50]. В то же время данные

кластеры генов обнаружены в геномах патогенных штаммов [5, 51], а также у пациентов с БК [51], что было подтверждено в данном исследовании. Штаммы здоровых добровольцев, проявившие антагонистическую активность, содержат не только гены систем продукции бактериоцинов, но и T6SS, осуществляющих прямое контактное взаимодействие между бактериями. Кроме того, выявлены 3

штамма (1_34_12, 1_39_1 и 1_45_11), способные

подавлять рост нескольких протестированных представителей энтеробактерий. Данные штаммы

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Escherichia coli Nissle 1917

Escherichia coli 1 39 1

100

г Escherichia coli 1 34 12

г Escherichia coin 45 11

Escherichia coli K-12 substr. MG1655

Salmonella enterica subsp. enterica str. 92-0392

Enterobacter cloacae GGT036

98

Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae str. HS11286

Рис. 3. Филограмма, построенная с помощью расстояний GBDP, рассчитанных на основе

геномных последовательностей. Цифры представляют собой значения поддержки pseudo-bootstrap GBDP > 60% из 100 повторов при средней поддержке ветвей 62,2%.

Fig. 3. Phylogram constructed using the GBDP distances calculated from genomic sequences. Values in tree nodes represent pseudo-bootstrap GBDP support > 60% out of 100 repeats, with an average branch support of 62.2%.

обладают высоким конкурентным потенциалом и, вероятно, играют важную роль в колонизационной резистентности кишечника. Среди штаммов 1_34_12 и 1_45_11, филогенетически родственных штамму K-12 substr. MG1655, наибольший

интерес представляет штамм 1_45_11, способный

подавлять рост всех протестированных представителей энтеробактерий. Штамм 1_39_1, проявивший антагонистическую активность в отношении K. pneumonia и S. enterica, оказался филогенетически родственным известному пробиотическо-му штамму Nissle 1917. Кроме того, он содержит мутацию в гене адгезина fimH, повышающую адгезивную способность бактерий, и кластер генов системы продукции колибактина, обнаруженный ранее у Nissle 1917 [48].

Заключение

На примере E. coli были продемонстрированы различия в конкурентном потенциале 11 филогенетически родственных штаммов, заселяющих кишечник пациентов с БК и здоровых добровольцев. Интересно, что способность вытеснять in vitro несколько представителей конкурентных энтеробак-терий была обнаружена у штаммов, выделенных у здоровых добровольцев. Вероятно, данные штаммы обладают важными свойствами, необходимыми для обеспечения колонизационной резистентности кишечника человека. Анализ биохимических характеристик не продемонстрировал различий в способности утилизировать субстраты среди E. coli пациентов и здоровых добровольцев, однако выявил свойства, отсутствующие у минорной группы штаммов и, вероятно, необходимые бактериям для успешной конкуренции в сообществе. Кроме того, в обеих группах были идентифицированы редко встречающиеся среди кишечных палочек штаммы. Интересно, что высококонкурентные штаммы не обладают уникальными особенностями, которые могли бы давать штаммам преимущество при ко-

лонизации кишечника. Сравнительный геномный анализ позволил выявить генетические детерминанты, дающие конкурентные преимущества бактериям обеих исследованных групп, а также выявить некоторые характеристики геномов штаммов здоровых добровольцев, обладающих высоким конкурентным потенциалом. Для понимания роли E. coli в поддержании кишечного гомеостаза и развитии воспалительных реакций желудочно-кишечного тракта необходимо дальнейшее изучение комплекса взаимодействий штаммов друг с другом и с организмом хозяина.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Das B., Nair G.B. Homeostasis and dysbiosis of the gut micro-biome in health and disease. J. Biosci. 2019; 44(5): 1-8. https://doi.org/10.1007/s12038-019-9926-y

2. Pessione E. The Russian doll model: how bacteria shape successful and sustainable inter-kingdom relationships. Front. Microbiol. 2020; 11: 2325. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.573759

3. Freter R. Factors affecting the microecology of the gut. In: Pro-biotics. Dordrecht: Springer; 1992: 111-44. https://doi.org/10.1007/978-94-011-2364-8_6

4. Stubbendieck R.M., Straight P.D. Multifaceted interfaces of bacterial competition. J. Bacteriol. 2016; 198(6): 2145-55. https://doi.org/10.1128/JB.00275-16

5. Massip C., Oswald E. Siderophore-microcins in Escherichia coli: determinants of digestive colonization, the first step toward virulence. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2020; 10: 381. https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.00381

6. Hayes C.S., Koskiniemi S., Ruhe Z.C., Poole S J., Low D.A. Mechanisms and biological roles of contact-dependent growth inhibition systems. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2014; 4(2): a010025. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a010025

7. Aoki S.K., Pamma R., Hernday A.D., Bickham J.E., Braat-en B.A., Low D.A. Contact-dependent inhibition of growth in Escherichia coli. Science. 2005; 309(5738): 1245-8. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a010025

8. Russell A.B., Peterson S.B., Mougous J.D. Type VI secretion system effectors: poisons with a purpose. Nat. Rev. Microbiol. 2014; 12(2): 137-48. https://doi.org/10.1038/nrmicro3185

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Anderson M.C., Vonaesch P., Saffarian A., Marteyn B.S., San-sonetti P.J. Shigella sonnei encodes a functional T6SS used for interbacterial competition and niche occupancy. Cell Host Mi-

crobe. 2017; 21(6):769-76. https://doi.org/10.1016/j.chom.2017.05.004

10. Endt K., Stecher B., Chaffron S., Slack E., Tchitchek N., Benecke A., et al. The microbiota mediates pathogen clearance from the gut lumen after non-typhoidal salmonella diarrhea PLoS Pathog. 2010; 6(9): e1001097. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1001097

11. Kamada N., Seo S.U., Chen G.Y., Nunez G. Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease Nat. Rev. Immunol. 2013; 13(5): 321-35. https://doi.org/10.1038/nri3430

12. Abt M.C., Pamer E.G. Commensal bacteria mediated defenses against pathogens. Curr. Opin. Immunol. 2014; 29: 16-22. https://doi.org/10.1016/j.coi.2014.03.003

13. Manichanh C., Rigottier-Gois L., Bonnaud E., Gloux K., Pelletier E., Frangeul L., et al. Reduced diversity of faecal microbiota in Crohn's disease revealed by a metagenomic approach. Gut. 2006; 55(2): 205-11. https://doi.org/10.1136/gut.2005.073817

14. Dicksved J., Halfvarson J., Rosenquist M., Järnerot G., Tysk C., Apajalahti J., et al. Molecular analysis of the gut microbiota of identical twins with Crohn's disease. ISME J. 2008; 2(7): 71627. https://doi.org/10.1038/ismej.2008.37

15. Frank D.N., Amand A.L., Feldman R.A., Boedeker E.C., Har-paz N., Pace N.R. Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalances in human inflammatory bowel diseases. Proc. Nat. Acad. Sci. 2007; 104(34): 13780-5. https://doi.org/10.1073/pnas.0706625104

16. Данилова Н.А., Абдулхаков С.Р., Григорьева Т.В., Маркело-ва М.И., Васильев И.Ю., Булыгина Е.А. и др. Маркеры дис-биоза у пациентов с язвенным колитом и болезнью Крона. Терапевтический архив. 2019; (4): 13-20. https://doi.org/10.26442/00403660.2019.04.000211

17. Hewitt J.H., Rigby J. Effect of various milk feeds on numbers of Escherichia coli and Bifidobacterium in the stools of new-born infants. J. Hyg. 1976; 77(1): 129-39. https://doi.org/10.1017/S0022172400055601

18. Бельский В.В., Московцева А.И. Колонизация Escherichia coli кишечника и частота выявления плазмидных факторов множественной лекарственной устойчивости и колицино-генности у детей на протяжении первого года жизни. Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. 2007; 86(1): 20-4.

19. Kamada N., Seo S.U., Chen G.Y., Nunez G. Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease Nat. Rev. Immunol. 2013; 13(5): 321-35. https://doi.org/10.1038/nri3430

20. Leimbach A., Hacker J., Dobrindt U. Escherichia coli as an all-rounder: the thin line between commensalism and pathoge-nicity. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 2013; 358: 332. https://doi.org/10.1007/82_2012_303

21. Lapaquette P., Glasser A.L., HuettA., Xavier R.J., Darfeuille-Mi-chaud A. Crohn's disease-associated adherent-invasive E. coli are selectively favoured by impaired autophagy to replicate in-tracellularly. Cell. Microbiol. 2010; 12(1): 99-113. https://doi.org/10.1111/j.1462-5822.2009.01381.x

22. Siniagina M.N., Markelova M.I., Boulygina E.A., Laikov A.V., Khusnutdinova D.R., Abdulkhakov S.R., et al. Diversity and adaptations of Escherichia coli strains: exploring the intestinal community in Crohn's disease patients and healthy individuals. Microorganisms. 2021; 9(6): 1299. https://doi.org/10.3390/microorganisms9061299

23. Siniagina M., Markelova M., Laikov A., Boulygina E., Khusnutdinova D., Kharchenko A., et al. Cultivated Escherichia coli diversity in intestinal microbiota of Crohn's disease patients and healthy individuals: whole genome data. Data Brief. 2020; 28: 104948. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.104948

24. Ohno M., Hasegawa M., Hayashi A., Caballero-Flores G., Al-teri C.J., Lawley T.D., et al. Lipopolysaccharide O structure of adherent and invasive Escherichia coli regulates intestinal inflammation via complement C3. PLoS Pathog. 2020; 16(10): e1008928. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008928

ORIGINAL RESEARCHES

25. Meier-Kolthoff J.P., Göker M. TYGS is an automated high-throughput platform for state-of-the-art genome-based taxonomy. Nat. Commun. 2019; 10(1): 2182. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10210-3

26. Meier-Kolthoff J.P., Auch A.F., Klenk H-P., Göker M. Genome sequence-based species delimitation with confidence intervals and improved distance functions. BMCBioinform. 2013; 14: 60. https://doi.org/10.1186/1471-2105-14-60

27. Lefort V., Desper R., Gascuel O. FastME 2.0: A comprehensive, accurate, and fast distance-based phylogeny inference program. Mol. Biol. Evol. 2015; 32(10): 2798-800. https://doi.org/10.1093/molbev/msv150

28. Kreft L., Botzki A., Coppens F., Vandepoele K., Van Bel M. PhyD3: A phylogenetic tree viewer with extended phyloXML support for functional genomics data visualization. Bioinform. 2017; 33(18): 2946-7.

https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btx324

29. David L.A., Maurice C.F., Carmody R.N., Gootenberg D.B., Button J.E., Wolfe B.E., et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature. 2014; 505(7484): 559-63. https://doi.org/10.1038/nature12820

30. De Filippo C., Cavalieri D., Di Paola M., Ramazzotti M., Poul-let J.B., Massart S., et al. Impact of diet in shaping gut microbio-ta revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2010; 107(33): 14691. https://doi.org/10.1073/pnas.1005963107

31. Tyakht A.V., Alexeev D.G., Popenko A.S., Kostryukova E.S., Govorun V.M. Rural and urban microbiota: to be or not to be? Gut Microbes. 2014; 5(3): 351-6. https://doi.org/10.4161/gmic.28685

32. Donaldson G.P., Lee S.M., Mazmanian S.K. Gut biogeography of the bacterial microbiota. Nat. Rev. Microbiol. 2016; 14(1): 20-32. https://doi.org/10.1038/nrmicro3552

33. Pereira F.C., Berry D. Microbial nutrient niches in the gut. Environ. Microbiol. 2017; 19(4): 1366-78. https://doi.org/10.1111/1462-2920.13659

34. Garrity G. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology: Volume 2: The Proteobacteria, Part B: The Gammaproteobacteria. Springer Science & Business Media; 2007.

35. Bingle L.E., Bailey C.M., Pallen M.J. Type VI secretion: a beginner's guide. Curr. Opin. Microbiol. 2008; 11(1): 3-8. https://doi.org/10.1016Zj.mib.2008.01.006

36. Pomares M.F., Delgado M.A., Corbalán N.S., Farias R.N., Vincent P.A. Sensitization of microcin J25-resistant strains by a membrane-permeabilizing peptide. App. Environ. Microbiol. 2010; 76(20): 6837-42. https://doi.org/10.1128/AEM.00307-10

37. Laviña M.A., Gaggero C., Moreno F. Microcin H47, a chromosome-encoded microcin antibiotic of Escherichia coli. J. Bacte-riol. 1990; 172(11): 6585-8. https://doi.org/10.1128/jb.172.11.6585-6588.1990

38. Chiuchiolo M.J., Delgado M.A., Farias R.N., Salomón R.A. Growth-phase-dependent expression of the cyclopeptide antibiotic microcin J25. J. Bacteriol. 2001; 183(5): 1755-64. https://doi.org/10.1128/JB.183.5.1755-1764.2001

39. Connell N., Han Z., Moreno F., Kolter R. An E. coli promoter induced by the cessation of growth. Mol. Microbiol. 1987; 1(2): 195-201. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1987.tb00512.x

40. Kurepina N.E., Basyuk E.I., Metlitskaya A.Z., Zaitsev D.A., Khmel I.A. Cloning and mapping of the genetic determinants for microcin C51 production and immunity. Mol. Gen. Genet. 1993; 241(5-6): 700-6. https://doi.org/10.1007/BF00279914

41. Schneider T., Hahn-Löbmann S., Stephan A., Schulz S., Gi-ritch A., Naumann M., et al. Plant-made Salmonella bacterio-cins salmocins for control of Salmonella pathovars. Sci. Rep. 2018; 8(1): 1-0. https://doi.org/10.1038/s41598-018-22465-9

42. Mushtaq H., Bakht J., Khan I., Ahmad B. Antimicrobial efficacy and prevalence of colicinogenic E. coli in faecal matter of human, cow and sheep. Int. J. Antimicrob. Agents. 2021; 57(1): 106221. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2020.106221

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

43. Sassone-Corsi M., Nuccio S.P., Liu H., Hernandez D., Vu C.T., Takahashi A.A., et al. Microcins mediate competition among En-terobacteriaceae in the inflamed gut. Nature. 2016; 540(7632): 280-3. https://doi.org/10.1038/nature20557

44. Johnson J.R., Johnston B., Kuskowski M.A., Nougayrede J.P., Oswald E. Molecular epidemiology and phylogenetic distribution of the Escherichia coli pks genomic island. J. Clin. Microbiol. 2008; 46(12): 3906-11. https://doi.org/10.1128/JCM.00949-08

45. Putze J., Hennequin C., Nougayrede J.P., Zhang W., Homburg S., Karch H., et al. Genetic structure and distribution of the colibactin genomic island among members of the family En-terobacteriaceae. Infect. Immun. 2009; 77(11): 4696-703. https://doi.org/10.1128/IAI.00522-09

46. Suresh A., Ranjan A., Jadhav S., Hussain A., Shaik S., Alam M., et al. Molecular genetic and functional analysis of pks-harbor-ing, extra-intestinal pathogenic Escherichia coli from India. Front. Microbiol. 2018; 9: 2631. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02631

47. Nougayrede J.P., Homburg S., Taieb F., Boury M., Brzusz-kiewicz E., Gottschalk G., et al. Escherichia coli induces DNA double-strand breaks in eukaryotic cells. Science. 2006; 313(5788): 848-51. https://doi.org/10.1126/science.1127059

48. Olier M., Marcq I., Salvador-Cartier C., Secher T., Dobrindt U., Boury M., et al. Genotoxicity of Escherichia coli Nissle 1917 strain cannot be dissociated from its probiotic activity. Gut Mi-crob. 2012; 3(6): 501-9. https://doi.org/10.4161/gmic.21737

49. Dreux N., Denizot J., Martinez-Medina M., Mellmann A., Billig M., Kisiela D., et al. Point mutations in FimH adhesin of Crohn's disease-associated adherent-invasive Escherichia coli enhance intestinal inflammatory response. PLoS Pathog. 2013; 9(1): e1003141. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003141

50. Drider D. Gut microbiota is an important source of bacteriocins and their in situ expression can be explored for treatment of bacterial infections. Prob. Antimicrob. Proteins. 2021; 13(6): 1759-65. https://doi.org/10.1007/s12602-021-09843-y

51. Smajs D., Micenkova L., Smarda J., Vrba M., Sevcikova A., Valisova Z., et al. Bacteriocin synthesis in uropathogenic and commensal Escherichia coli: colicin E1 is a potential virulence factor. BMC Microbiol. 2010; 10: 288. https://doi.org/10.1186/1471-2180-10-288

52. Micenkova L., Frankovicova L., Jabornikova I., Bosak J., Dite P., Smarda J., et al. Escherichia coli isolates from patients with inflammatory bowel disease: ExPEC virulence-and co-licin-determinants are more frequent compared to healthy controls. Int. J. Med. Microbiol. 2018; 308(5): 498-504. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2018.04.008

REFERENCES

1. Das B., Nair G.B. Homeostasis and dysbiosis of the gut micro-biome in health and disease. J. Biosci. 2019; 44(5): 1-8. https://doi.org/10.1007/s12038-019-9926-y

2. Pessione E. The Russian doll model: how bacteria shape successful and sustainable inter-kingdom relationships. Front. Microbi-ol. 2020; 11: 2325. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.573759

3. Freter R. Factors affecting the microecology of the gut. In: Pro-biotics. Dordrecht: Springer; 1992: 111-44. https://doi.org/10.1007/978-94-011-2364-8_6

4. Stubbendieck R.M., Straight P.D. Multifaceted interfaces of bacterial competition. J. Bacteriol. 2016; 198(6): 2145-55. https://doi.org/10.1128/JB.00275-16

5. Massip C., Oswald E. Siderophore-microcins in Escherichia coli: determinants of digestive colonization, the first step toward virulence. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2020; 10: 381. https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.00381

6. Hayes C.S., Koskiniemi S., Ruhe Z.C., Poole S J., Low D.A. Mechanisms and biological roles of contact-dependent growth inhibition systems. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2014; 4(2): a010025. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a010025

7. Aoki S.K., Pamma R., Hemday A.D., Bickham J.E., Braat-en B.A., Low D.A. Contact-dependent inhibition of growth in Escherichia coli. Science. 2005; 309(5738): 1245-8. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a010025

8. Russell A.B., Peterson S.B., Mougous J.D. Type VI secretion system effectors: poisons with a purpose. Nat. Rev. Microbiol. 2014; 12(2): 137-48. https://doi.org/10.1038/nrmicro3185

9. Anderson M.C., Vonaesch P., Saffarian A., Marteyn B.S., San-sonetti P. J. Shigella sonnei encodes a functional T6SS used for interbacterial competition and niche occupancy. Cell Host Microbe. 2017; 21(6):769-76. https://doi.org/10.1016/j.chom.2017.05.004

10. Endt K., Stecher B., Chaffron S., Slack E., Tchitchek N., Benecke A., et al. The microbiota mediates pathogen clearance from the gut lumen after non-typhoidal salmonella diarrhea PLoS Pathog. 2010; 6(9): e1001097. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1001097

11. Kamada N., Seo S.U., Chen G.Y., Nunez G. Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease Nat. Rev. Immunol. 2013; 13(5): 321-35. https://doi.org/10.1038/nri3430

12. Abt M.C., Pamer E.G. Commensal bacteria mediated defenses against pathogens. Curr. Opin. Immunol. 2014; 29: 16-22. https://doi.org/10.1016/j.coi.2014.03.003

13. Manichanh C., Rigottier-Gois L., Bonnaud E., Gloux K., Pelletier E., Frangeul L., et al. Reduced diversity of faecal microbiota in Crohn's disease revealed by a metagenomic approach. Gut. 2006; 55(2): 205-11. https://doi.org/10.1136/gut.2005.073817

14. Dicksved J., Halfvarson J., Rosenquist M., Järnerot G., Tysk C., Apajalahti J., et al. Molecular analysis of the gut microbiota of identical twins with Crohn's disease. ISME J. 2008; 2(7): 71627. https://doi.org/10.1038/ismej.2008.37

15. Frank D.N., Amand A.L., Feldman R.A., Boedeker E.C., Har-paz N., Pace N.R. Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalances in human inflammatory bowel diseases. Proc. Nat. Acad. Sci. 2007; 104(34): 13780-5. https://doi.org/10.1073/pnas.0706625104

16. Danilova N.A., Abdulkhakov S.R., Grigor'eva T.V., Markelo-va M.I., Vasil'ev I.Yu., Bulygina E.A., et al. Markers of dys-biosis in patients with ulcerative colitis and Crohn's disease. Terapevticheskiy arkhiv. 2019; (4): 13-20. https://doi.org/10.26442/00403660.2019.04.000211 (in Russian)

17. Hewitt J.H., Rigby J. Effect of various milk feeds on numbers of Escherichia coli and Bifidobacterium in the stools of new-born infants. J. Hyg. 1976; 77(1): 129-39. https://doi.org/10.1017/S0022172400055601

18. Bel'skiy V.V., Moskovtseva A.I. Colonization of Escherichia coli of the intestine and the frequency of detection of plasmid factors of multidrug resistance and colicinogenicity in children during the first year of life. Pediatriya. Zhurnal im. G.N. Spe-ranskogo. 2007; 86(1): 20-4. (in Russian)

19. Kamada N., Seo S.U., Chen G.Y., Nunez G. Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease Nat. Rev. Immunol. 2013; 13(5): 321-35. https://doi.org/10.1038/nri3430

20. Leimbach A., Hacker J., Dobrindt U. Escherichia coli as an all-rounder: the thin line between commensalism and pathogenicity. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 2013; 358: 332. https://doi.org/10.1007/82_2012_303

21. Lapaquette P., Glasser A.L., Huett A., Xavier R.J., Darfeuille-Michaud A. Crohn's disease-associated adherent-invasive E. coli are selectively favoured by impaired autophagy to replicate intracellularly. Cell. Microbiol. 2010; 12(1): 99-113. https://doi.org/10.1111/j.1462-5822.2009.01381.x

22. Siniagina M.N., Markelova M.I., Boulygina E.A., Laikov A.V., Khusnutdinova D.R., Abdulkhakov S.R., et al. Diversity and adaptations of Escherichia coli strains: exploring the intestinal community in Crohn's disease patients and healthy individuals. Microorganisms. 2021; 9(6): 1299. https://doi.org/10.3390/microorganisms9061299

23. Siniagina M., Markelova M., Laikov A., Boulygina E., Khus-nutdinova D., Kharchenko A., et al. Cultivated Escherichia coli diversity in intestinal microbiota of Crohn's disease patients and healthy individuals: whole genome data. Data Brief. 2020; 28: 104948. https://doi.org/10.10167j.dib.2019.104948

24. Ohno M., Hasegawa M., Hayashi A., Caballero-Flores G., Al-teri C.J., Lawley T.D., et al. Lipopolysaccharide O structure of adherent and invasive Escherichia coli regulates intestinal inflammation via complement C3. PLoS Pathog. 2020; 16(10): e1008928. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008928

25. Meier-Kolthoff J.P., Göker M. TYGS is an automated high-throughput platform for state-of-the-art genome-based taxonomy. Nat. Commun. 2019; 10(1): 2182. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10210-3

26. Meier-Kolthoff J.P., Auch A.F., Klenk H-P., Göker M. Genome sequence-based species delimitation with confidence intervals and improved distance functions. BMCBioinform. 2013; 14: 60. https://doi.org/10.1186/1471-2105-14-60

27. Lefort V., Desper R., Gascuel O. FastME 2.0: A comprehensive, accurate, and fast distance-based phylogeny inference program. Mol. Biol. Evol. 2015; 32(10): 2798-800. https://doi.org/10.1093/molbev/msv150

28. Kreft L., Botzki A., Coppens F., Vandepoele K., Van Bel M. PhyD3: A phylogenetic tree viewer with extended phyloXML support for functional genomics data visualization. Bioinform. 2017; 33(18): 2946-7.

https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btx324

29. David L.A., Maurice C.F., Carmody R.N., Gootenberg D.B., Button J.E., Wolfe B.E., et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature. 2014; 505(7484): 559-63. https://doi.org/10.1038/nature12820

30. De Filippo C., Cavalieri D., Di Paola M., Ramazzotti M., Poul-let J.B., Massart S., et al. Impact of diet in shaping gut microbio-ta revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2010; 107(33): 14691. https://doi.org/10.1073/pnas.1005963107

31. Tyakht A.V., Alexeev D.G., Popenko A.S., Kostryukova E.S., Govorun V.M. Rural and urban microbiota: to be or not to be? Gut Microbes. 2014; 5(3): 351-6. https://doi.org/10.4161/gmic.28685

32. Donaldson G.P., Lee S.M., Mazmanian S.K. Gut biogeography of the bacterial microbiota. Nat. Rev. Microbiol. 2016; 14(1): 20-32. https://doi.org/10.1038/nrmicro3552

33. Pereira F.C., Berry D. Microbial nutrient niches in the gut. Environ. Microbiol. 2017; 19(4): 1366-78. https://doi.org/10.1111/1462-2920.13659

34. Garrity G. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology: Volume 2: The Proteobacteria, Part B: The Gammaproteobacteria. Springer Science & Business Media; 2007.

35. Bingle L.E., Bailey C.M., Pallen M.J. Type VI secretion: a beginner's guide. Curr. Opin. Microbiol. 2008; 11(1): 3-8. https://doi.org/10.1016/j.mib.2008.01.006

36. Pomares M.F., Delgado M.A., Corbalán N.S., Farias R.N., Vincent P.A. Sensitization of microcin J25-resistant strains by a membrane-permeabilizing peptide. App. Environ. Microbiol. 2010; 76(20): 6837-42. https://doi.org/10.1128/AEM.00307-10

37. Laviña M.A., Gaggero C., Moreno F. Microcin H47, a chromosome-encoded microcin antibiotic of Escherichia coli. J. Bacte-riol. 1990; 172(11): 6585-8. https://doi.org/10.1128/jb.172.11.6585-6588.1990

38. Chiuchiolo M.J., Delgado M.A., Farias R.N., Salomón R.A. Growth-phase-dependent expression of the cyclopeptide antibiotic microcin J25. J. Bacteriol. 2001; 183(5): 1755-64. https://doi.org/10.1128/JB.183.5.1755-1764.2001

ORIGINAL RESEARCHES

39. Connell N., Han Z., Moreno F., Kolter R. An E. coli promoter induced by the cessation of growth. Mol. Microbiol. 1987; 1(2): 195-201. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1987.tb00512.x

40. Kurepina N.E., Basyuk E.I., Metlitskaya A.Z., Zaitsev D.A., Khmel I.A. Cloning and mapping of the genetic determinants for microcin C51 production and immunity. Mol. Gen. Genet. 1993; 241(5-6): 700-6. https://doi.org/10.1007/BF00279914

41. Schneider T., Hahn-Löbmann S., Stephan A., Schulz S., Gi-ritch A., Naumann M., et al. Plant-made Salmonella bacterio-cins salmocins for control of Salmonella pathovars. Sci. Rep. 2018; 8(1): 1-0.

https://doi.org/10.1038/s41598-018-22465-9

42. Mushtaq H., Bakht J., Khan I., Ahmad B. Antimicrobial efficacy and prevalence of colicinogenic E. coli in faecal matter of human, cow and sheep. Int. J. Antimicrob. Agents. 2021; 57(1): 106221. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2020.106221

43. Sassone-Corsi M., Nuccio S.P., Liu H., Hernandez D., Vu C.T., Takahashi A.A., et al. Microcins mediate competition among En-terobacteriaceae in the inflamed gut. Nature. 2016; 540(7632): 280-3. https://doi.org/10.1038/nature20557

44. Johnson J.R., Johnston B., Kuskowski M.A., Nougayrede J.P., Oswald E. Molecular epidemiology and phylogenetic distribution of the Escherichia coli pks genomic island. J. Clin. Microbiol. 2008; 46(12): 3906-11. https://doi.org/10.1128/JCM.00949-08

45. Putze J., Hennequin C., Nougayrède J.P., Zhang W., Homburg S., Karch H., et al. Genetic structure and distribution of the colibactin genomic island among members of the family En-terobacteriaceae. Infect. Immun. 2009; 77(11): 4696-703. https://doi.org/10.1128/IAI.00522-09

46. Suresh A., Ranjan A., Jadhav S., Hussain A., Shaik S., Alam M., et al. Molecular genetic and functional analysis of pks-har-boring, extra-intestinal pathogenic Escherichia coli from India. Front. Microbiol. 2018; 9: 2631. https://doi.org/10.3389/ fmicb.2018.02631

47. Nougayrède J.P., Homburg S., Taieb F., Boury M., Brzusz-kiewicz E., Gottschalk G., et al. Escherichia coli induces DNA double-strand breaks in eukaryotic cells. Science. 2006; 313(5788): 848-51. https://doi.org/10.1126/science.1127059

48. Olier M., Marcq I., Salvador-Cartier C., Secher T., Dobrindt U., Boury M., et al. Genotoxicity of Escherichia coli Nissle 1917 strain cannot be dissociated from its probiotic activity. Gut Mi-crob. 2012; 3(6): 501-9. https://doi.org/10.4161/gmic.21737

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

49. Dreux N., Denizot J., Martinez-Medina M., Mellmann A., Billig M., Kisiela D., et al. Point mutations in FimH adhesin of Crohn's disease-associated adherent-invasive Escherichia coli enhance intestinal inflammatory response. PLoS Pathog. 2013; 9(1): e1003141. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003141

50. Drider D. Gut microbiota is an important source of bacteriocins and their in situ expression can be explored for treatment of bacterial infections. Prob. Antimicrob. Proteins. 2021; 13(6): 1759-65. https://doi.org/10.1007/s12602-021-09843-y

51. Smajs D., Micenkova L., Smarda J., Vrba M., Sevcikova A., Valisova Z., et al. Bacteriocin synthesis in uropathogenic and commensal Escherichia coli: colicin E1 is a potential virulence factor. BMC Microbiol. 2010; 10: 288. https://doi.org/10.1186/1471-2180-10-288

52. Micenkova L., Frankovicova L., Jabornikova I., Bosak J., Dité P., Smarda J., et al. Escherichia coli isolates from patients with inflammatory bowel disease: ExPEC virulence-and co-licin-determinants are more frequent compared to healthy controls. Int. J. Med. Microbiol. 2018; 308(5): 498-504. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2018.04.008

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Информация об авторах

Синягина Мария Николаевнам — н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, Казань, Россия, marias25@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8138-9235 Лайков Александр Владимирович — н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid ^д/0000-0002-4250-2645

Маркелова Мария Ивановна — н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid ^/0000-0001-7445-2091

Булыгина Евгения Александровна — н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid.org/0000-0003-3458-1176

Хуснутдинова Диляра Рашидовна — н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid ^/0000-0002-9982-9059

Абдулхаков Сайяр Рустамович — к.м.н., зав. каф. фундаментальных основ клинической медицины, с.н.с. НИЛ «Омиксные технологии Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid ^/0000-0001-9542-3580

Гоигорьева Татьяна Владимировна — к.б.н., с.н.с. НИЛ «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета, https://orcid.org/0000-0001-5314-7012

Участие авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

Статья поступила в редакцию 26.08.2022; принята к публикации 01.11.2022; опубликована 30.12.2022

Information about the authors

Maria N. SiniaginaM — researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia, marias25@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8138-9235 Alexander V. Laikov — researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0002-4250-2645

Maria I. Markelova — researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0001-7445-2091

Eugenia A. Boulygina — researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0003-3458-1176

Dilyara R. Khusnutdinova — researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0002-9982-9059

Sayar R. Abdulkhakov — Cand. Sci. (Med.), Head, Department of fundamentals of clinical medicine, Kazan Federal University, Kazan, Russia; senior researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0001-9542-3580

Tatyana V. Grigoryeva — Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Research laboratory "Omics technologies", Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal University, Kazan, Russia, https://orcid.org/0000-0001-5314-7012

Author contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published.

The article was submitted 26.08.2022; accepted for publication 01.11.2022;

published 30.12.2022

COMPETITIVE ABILITY OF ESCHERICHIA COLI STRAINS IN THE INTESTINAL MICROBIOTA OF PATIENTS WITH CROHN'S DISEASE AND HEALTHY VOLUNTEERS: PHYSIOLOGICAL, BIOCHEMICAL AND GENETIC CHARACTERISTICS