Abstract Bedaquiline (BDQ) and clofazimine (CFZ) are core drugs for treatment of multidrug resistant tuberculosis (MDR-TB), however, our understanding of the resistance mechanisms for these drugs is sparse which is hampering rapid molecular diagnostics. To address this, we employed a unique approach using experimental evolution, protein modelling, genome sequencing, and minimum inhibitory concentration data combined with genomes from a global strain collection of over 14,151 Mycobacterium tuberculosis complex isolates and an extensive literature review. Overall, 230 genomic variants causing elevated BDQ and/or CFZ MICs could be discerned, with 201 (87.4%) variants affecting the transcriptional repressor (Rv0678) of an efflux system (mmpS5-mmpL5). Structural modelling of Rv0678 suggests four major mechanisms that confer resistance: impairment of DNA binding, reduction in protein stability, disruption of protein dimerization, and alteration in affinity for its fatty acid ligand. These modelling and experimental techniques will improve personalized medicine in an impending drug resistant era.

Abstract Background Bacterial genomes follow a U-shaped frequency distribution whereby most genomic loci are either rare (accessory) or common (core); the union of these is the pan-genome. The alignable fraction of two genomes from a single species can be low (e.g. 50-70%), such that no single reference genome can access all single nucleotide polymorphisms (SNPs). The pragmatic solution is to choose a close reference, and analyse SNPs only in the core genome. Given much bacterial adaptability hinges on the accessory genome, this is an unsatisfactory limitation. Results We present a novel pan-genome graph structure and algorithms implemented in the software pandora , which approximates a sequenced genome as a recombinant of reference genomes, detects novel variation and then pan-genotypes multiple samples. The method takes fastq as input and outputs a multi-sample VCF with respect to an inferred data-dependent reference genome, and is available at https://github.com/rmcolq/pandora . Constructing a reference graph from 578 E. coli genomes, we analyse a diverse set of 20 E. coli isolates. We show pandora recovers at least 13k more rare SNPs than single-reference based tools, achieves equal or better error rates with Nanopore as with Illumina data, 6-24x lower Nanopore error rates than other tools, and provides a stable framework for analysing diverse samples without reference bias. We also show that our inferred recombinant VCF reference genome is significantly better than simply picking the closest RefSeq reference. Conclusions This is a step towards comprehensive cohort analysis of bacterial pan-genomic variation, with potential impacts on genotype/phenotype and epidemiological studies.

Abstract The Comprehensive Resistance Prediction for Tuberculosis: an International Consortium (CRyPTIC) presents here a compendium of 15,211 Mycobacterium tuberculosis global clinical isolates, all of which have undergone whole genome sequencing (WGS) and have had their minimum inhibitory concentrations to 13 antitubercular drugs measured in a single assay. It is the largest matched phenotypic and genotypic dataset for M. tuberculosis to date. Here, we provide a summary detailing the breadth of data collected, along with a description of how the isolates were collected and uniformly processed in CRyPTIC partner laboratories across 23 countries. The compendium contains 6,814 isolates resistant to at least one drug, including 2,129 samples that fully satisfy the clinical definitions of rifampicin resistant (RR), multi-drug resistant (MDR), pre-extensively drug resistant (pre-XDR) or extensively drug resistant (XDR). Accurate prediction of resistance status (sensitive/resistant) to eight antitubercular drugs by using a genetic mutation catalogue is presented along with the presence of suspected resistance-conferring mutations for isolates resistant to the newly introduced drugs bedaquiline, clofazimine, delamanid and linezolid. Finally, a case study of rifampicin mono-resistance demonstrates how this compendium could be used to advance our genetic understanding of rare resistance phenotypes. The compendium is fully open-source and it is hoped that the dataset will facilitate and inspire future research for years to come.

ABSTRACT The open sharing of genomic data provides an incredibly rich resource for the study of bacterial evolution and function, and even anthropogenic activities such as the widespread use of antimicrobials. Whilst these archives are rich in data, considerable processing is required before biological questions can be addressed. Here, we assembled and characterised 661,405 bacterial genomes using a uniform standardised approach, retrieved from the European Nucleotide Archive (ENA) in November of 2018. A searchable COBS index has been produced, facilitating the easy interrogation of the entire dataset for a specific gene or mutation. Additional MinHash and pp-sketch indices support genome-wide comparisons and estimations of genomic distance. An analysis on this scale revealed the uneven species composition in the ENA/public databases, with just 20 of the total 2,336 species making up 90% of the genomes. The over-represented species tend to be acute/common human pathogens. This aligns with research priorities at different levels from individuals with targeted but focused research questions, areas of focus for the funding bodies or national public health agencies, to those identified globally as priority pathogens by the WHO for their resistance to front and last line antimicrobials. Understanding the actual and potential biases in bacterial diversity depicted in this snapshot, and hence within the data being submitted to the public sequencing archives, is essential if we are to target and fill gaps in our understanding of the bacterial kingdom.

Abstract Short-read variant calling for bacterial genomics is a mature field, and there are many widely-used software tools. Different underlying approaches (eg pileup, local or global assembly, paired-read use, haplotype use) lend each tool different strengths, especially when considering non-SNP (single nucleotide polymorphism) variation or potentially distant reference genomes. It would therefore be valuable to be able to integrate the results from multiple variant callers, using a robust statistical approach to “adjudicate” at loci where there is disagreement between callers. To this end, we present a tool, Minos, for variant adjudication by mapping reads to a genome graph of variant calls. Minos allows users to combine output from multiple variant callers without loss of precision. Minos also addresses a second problem of joint genotyping SNPs and indels in bacterial cohorts, which can also be framed as an adjudication problem. We benchmark on 62 samples from 3 species ( Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae ) and an outbreak of 385 M. tuberculosis samples. Finally, we joint genotype a large M. tuberculosis cohort (N ≈ 15k) for which the rifampicin phenotype is known. We build a map of non-synonymous variants in the RRDR (rifampicin resistance determining region) of the rpoB gene and extend current knowledge relating RRDR SNPs to heterogeneity in rifampicin resistance levels. We replicate this finding in a second M. tuberculosis cohort (N ≈ 13k). Minos is released under the MIT license, available at https://github.com/iqbal-lab-org/minos .

Abstract The antibiotic Bedaquiline (BDQ) is a key component of new WHO regimens for drug resistant tuberculosis (TB) but predicting BDQ resistance (BDQ-R) from genotypes remains challenging. We analysed a collection (n=505) of Mycobacterium tuberculosis from two high prevalence areas in South Africa (Cape Town and Johannesburg, 2019-2020), and found 53 independent acquisitions of 31 different mutations within the mmpR5 regulatory gene, with a particular enrichment of truncated MmpR5 in BDQ-R isolates by either frameshift or introduction of an insertion element. Truncations occurred across three M. tuberculosis lineages, impacting 66% of BDQ-R isolates. Extending our analysis to 1,961 isolates with minimum inhibitory concentrations (MICs) revealed that mmpR5 -disrupted isolates had a median BDQ MIC of 0.25 mg/L, compared to the wild-type median of 0.06 mg/L. By matching mmpR5 -disrupted isolates with phylogenetically close control isolates without the disruption, we were able to estimate the impact on MIC of individual mutations. In conclusion, as the MIC increase borders the ECOFF threshold for BDQ-R, we recommend the continued use of MICs and detection of MmpR5 truncations to identify modest shifts in BDQ-R.

Members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) are the causative agents of tuberculosis in a range of mammals, including humans. A key feature of MTBC pathogens is their high degree of genetic identity, yet distinct host tropism. Notably, while Mycobacterium bovis is highly virulent and pathogenic for cattle, the human pathogen M. tuberculosis is attenuated in cattle. Previous research also suggests that host preference amongst MTBC members has a basis in host innate immune responses. To explore MTBC host tropism, we present in-depth profiling of the MTBC reference strains M. bovis AF2122/97 and M. tuberculosis H37Rv at both the global transcriptional and translational level via RNA-sequencing and SWATH mass spectrometry. Furthermore, a bovine alveolar macrophage infection time course model was employed to investigate the shared and divergent host transcriptomic response to infection with M. tuberculosis or M. bovis. Significant differential expression of virulence-associated pathways between the two bacilli was revealed, including the ESX-1 secretion system. A divergent transcriptional response was observed between M. tuberculosis and M. bovis infection of bovine alveolar macrophages, in particular cytosolic DNA-sensing pathways at 48 hours post-infection, and highlights a distinct engagement of M. bovis with the bovine innate immune system. The work presented here therefore provides a basis for the identification of host innate immune mechanisms subverted by virulent host-adapted mycobacteria to promote their survival during the early stages of infection.

Abstract Placental and embryonic heart development occurs in parallel, and these organs have been proposed to exert reciprocal regulation during gestation. Poor placentation has been associated with congenital heart disease (CHD), an important cause of infant mortality. However, the mechanisms by which altered placental development can lead to CHD remain unresolved. In the current study we show that neutrophil-driven placental inflammation leads to inadequate placental development and loss of barrier function. Consequently, placental inflammatory monocytes of maternal origin become capable to migrate to the embryonic heart and alter the normal composition of resident cardiac macrophages and cardiac tissue structure. This cardiac impairment continues into postnatal life, hindering normal tissue architecture and function. Finally, we demonstrate that tempering placental inflammation can rescue this fetal cardiac defect and is sufficient to promote normal cardiac function in postnatal life. Taken together, our observations provide a mechanistic paradigm whereby neutrophil-driven inflammation in pregnancy can preclude normal embryonic heart development as a direct consequence of poor placental development.