Thierry Wirth, Philip Supply, Stefan Niemann and colleagues analyze 4,987 Mycobacterium tuberculosis strains of the Beijing lineage isolated from 99 countries. They report whole-genome sequencing of 110 representative strains, characterize global population structure and reconstruct the evolutionary history of this lineage. Mycobacterium tuberculosis strains of the Beijing lineage are globally distributed and are associated with the massive spread of multidrug-resistant (MDR) tuberculosis in Eurasia. Here we reconstructed the biogeographical structure and evolutionary history of this lineage by genetic analysis of 4,987 isolates from 99 countries and whole-genome sequencing of 110 representative isolates. We show that this lineage initially originated in the Far East, from where it radiated worldwide in several waves. We detected successive increases in population size for this pathogen over the last 200 years, practically coinciding with the Industrial Revolution, the First World War and HIV epidemics. Two MDR clones of this lineage started to spread throughout central Asia and Russia concomitantly with the collapse of the public health system in the former Soviet Union. Mutations identified in genes putatively under positive selection and associated with virulence might have favored the expansion of the most successful branches of the lineage.

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 Multidrug-resistant (MDR) and extensively drug resistant (XDR) Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) strains are a great challenge for tuberculosis (TB) control in India. Still, factors driving the MDR/XDR epidemic in India are not well defined. To address this, whole genome sequencing (WGS) data from 1 852 MTBC strains obtained from patients from a tertiary care hospital laboratory in Mumbai were used for phylogenetic strain classification, resistance prediction, and cluster analysis (12 allele distance threshold). Factors associated with pre-XDR/XDR-TB were defined by odds ratios and a multivariate logistic regression model. Overall, 1 017 MTBC strains were MDR, out of which 57.8 % (n=591) were pre-XDR, and 17.9 % (n=183) were XDR. Lineage 2 (L2) strains represented 41.7 % of the MDR, 77.2 % of the pre-XDR, and 86.3 % of the XDR strains, and were significantly associated with pre-XDR/XDR-TB (P < 0.001). Cluster rates were high among MDR (78 %) and pre-XDR/XDR (85 %) strains with three dominant L2 strain clusters (Cl 1-3) representing half of the pre-XDR and two thirds of the XDR-TB cases. Cl 1 strains accounted for 52.5 % of the XDR MTBC strains. Transmission could be confirmed by identical mutation patterns of particular pre-XDR/XDR strains. As a conclusion high rates of pre-XDR/XDR strains among MDR-TB patients require rapid changes in treatment and control strategies. Transmission of particular pre-XDR/XDR L2 strains is the main driver of the pre-XDR/XDR-TB epidemic. Accordingly, control of the epidemic in the region requires measures with stopping transmission especially of pre-XDR/XDR L2 strains.

Bacterial factors favoring the unprecedented multidrug-resistant tuberculosis (MDR-TB) epidemic in the former Soviet Union remain unclear. We utilized whole genome sequencing and Bayesian statistics to analyze the evolutionary history, temporal emergence of resistance and transmission networks of MDR-MTBC strains from Karakalpakstan, Uzbekistan (2001-2006). One MTBC-clone (termed Central Asian outbreak, CAO) with resistance mediating mutations to eight anti-TB drugs existed prior the worldwide introduction of standardized WHO-endorsed directly observed treatment, short-course (DOTS). DOTS implementation in Karakalpakstan in 1998 likely selected for these CAO-strains, comprising 75% of sampled MDR-TB strains in 2005/2006. CAO-strains were also identified in a previously published cohort from Samara, Russia (2008-2010). Similarly, transmission success and resistance development was linked to mutations compensating fitness deficits associated with rifampicin resistance. The genetic make-up of these outbreak clades threatens the success of both empirical and standardized guideline driven MDR-TB therapies, including the newly WHO-endorsed short MDR-TB regimen in Uzbekistan.

Background: Previous studies suggest the burden of pulmonary tuberculosis (PTB) in Ethiopia may be greater in university students relative to the overall population. However, little is known about the transmission dynamics of PTB among students and members of the communities surrounding university campuses in Eastern Ethiopia. Methods: A cross sectional study was conducted in Eastern Ethiopia among culture-confirmed PTB cases from university students (n=36) and community members diagnosed at one of four hospitals (n=152) serving the surrounding area. Drug susceptibility testing (DST) was performed on Mycobacterium Tuberculosis Complex (MTBC) isolates using BD Bactec MGIT 960 and molecular genotyping was performed using spoligotyping and 24-loci MIRU-VNTR. MTBC strains with Identical genotyping patterns were assigned to molecular clusters as surrogate marker for recent transmission and further contact tracing was initiated among clustered patients. Results: Among all study participants, four MTBC lineages and 11 sub-lineages were identified, with Ethiopia_3 being most common sub-lineage (29.4%) and associated with strain clustering (P= 0.016). We identified 13 (8.1%) strains phylogenetically related to the known Ethiopian sub-lineages with a distinct Spoligotyping patterns and designated as Ethiopia_4. The clustering rate of MTB strains was 52.9% for university students and 66.7% for community members with a Recent Transmission Index (RTI) of 17.6% and 48.4%, respectively. Female gender, urban residence, and new TB cases were significantly associated with strain clustering (p

Whole genome sequencing (WGS) is becoming an important diagnostic tool for antimicrobial susceptibility testing of Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) isolates in many countries. WGS protocols usually start with the preparation of a DNA-library: the critical first step in the process. A DNA-library represents the genomic content of a DNA sample and consists of unique short DNA fragments. Although available DNA-library protocols come with manufacturer instructions, details of the entire process, including quality controls, instrument parameters, and run evaluations, often need to be developed and customized by each laboratory to implement WGS technology effectively. Here, we provide a detailed workflow for a DNA-library preparation based on an adapted Illumina protocol optimized for the reduction of reagent costs.

Mycobacterium tuberculosis is well adapted to survive and persist in the infected host, escaping the host immune response. Since polyamines, which are synthesized by infected macrophages are able to inhibit the growth of M. tuberculosis, the pathogen needs strategies to cope with toxic spermine. The actinomycete Streptomyces coelicolor, closely related to M. tuberculosis makes use of a gamma-glutamylation pathway to functionally neutralize spermine. We therefore considered whether a similar pathway would be functional in M. tuberculosis. In the current study we demonstrated that M. tuberculosis growth was inhibited by the polyamine spermine. Using a glutamine synthetase-based in vitro enzymatic activity assay we determined that GlnA3Mt (Rv1878) is a gamma-glutamylspermine synthetase. In an in vitro phosphate release assay we showed that purified His-Strep-GlnA3Mt as well as native GlnA3Mt prefer spermine as a substrate to putrescine, cadaverine, spermidine or other monoamines and amino acids, suggesting that GlnA3Mt may play a specific role in the detoxification of the polyamine spermine. However, the deletion of the glnA3 gene in M. tuberculosis did not result in growth inhibition or enhanced sensitivity of M. tuberculosis in the presence of high spermine concentrations. Subsequent RNAsequencing of M. tuberculosis bacteria revealed that the gene cluster consisting of the efflux pump-encoding rv3065-rv3066-rv3067 genes is upregulated upon spermine treatment, suggesting its involvement in bacterial survival under elevated spermine concentrations.

Abstract Background Pathogenic mycobacteria, such as the Mycobacterium tuberculosis complex (Mtbc), and non-tuberculous mycobacteria (NTMs) can cause severe chronic pulmonary infections. However, not all infected patients develop active disease. Yet, it is unclear whether certain key taxa in the lung microbiome play a role in the pathogenesis of tuberculosis (TB) and NTM lung disease (LD). Material and methods We employed 16S rRNA amplicon sequencing (V3-V4) to characterize the baseline microbiome in bronchoalveolar lavage fluid from a patient cohort diagnosed with TB (n=23), NTM-LD (n=19), or non-infectious disease (n=4) prior to the initiation of therapy. The analysis included the depletion of human cells, removal of extracellular DNA, implementation of a decontamination strategy, and exploratory whole-metagenome sequencing (WMS) of selected specimens. Results The genera Serratia and unclassified Yersiniaceae dominated the lung microbiome of all patients with a mean relative abundance of >15% and >70%, respectively. However, at the sub-genus level, as determined by amplicon sequence variants (ASVs), TB-patients exhibited increased community diversity, and TB specific ASV_7 (unclassified Yersiniaceae ), and ASV_21 ( Serratia ) signatures. Exploratory analysis by WMS and ASV similarity analysis suggested the presence of Serratia liquefaciens , Serratia grimesii , Serratia myotis and/or Serratia quinivorans in both TB and NTM-LD patients. Overall, presence/absence of certain Serratia ASVs was significantly associated with disease state. Conclusion The lung microbiome of TB patients harbors a distinct, and heterogenous microbiome structure with specific occurrences of certain Serratia traits. Serratia sp. plays a pivotal role in our understanding of microbial interactions in the lung microbiome of patients infected with Mtbc.

Whole genome sequencing of Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) isolates has been shown to provide accurate predictions for resistance and susceptibility for many first- and second-line anti-tuberculosis drugs. However, bioinformatic pipelines and mutation catalogs to predict antimicrobial resistances in MTBC isolates are often customized and detailed protocols are difficult to access. Here, we provide a step-by-step workflow for the processing and interpretation of short-read sequencing data and give an overview of available analysis pipelines.

In genome evolution, genetic variants are the source of diversity, which natural selection acts upon. Treatment of human tuberculosis (TB) induces a strong selection pressure for the emergence of antibiotic resistance in the infecting Mycobacterium tuberculosis (MTB) strains. MTB evolution in response to treatment has been intensively studied and mainly attributed to point substitutions. However, the contribution of insertions and deletions (indels) to MTB genome evolution remains poorly understood. Here, we analyzed a multi-drug resistant MTB outbreak for the presence of high-quality indels and substitutions. We find that indels are significantly enriched in genes conferring antibiotic resistance. Furthermore, we show that indels are inherited during the outbreak and follow a molecular clock with an evolutionary rate of 5.37e-9 indels/site/year, which is 23x lower compared to the substitution rate. Inherited indels may co-occur with substitutions in genes along related biological pathways; examples are iron storage and resistance to second-line antibiotics. This suggests that epistatic interactions between indels and substitutions affect antibiotic resistance and compensatory evolution in MTB.Author summary Mycobacterium tuberculosis (MTB) is a human pathogen causing millions of deaths every year. Its genome evolution has been intensively characterized through point substitutions, i.e., nucleotide exchanges that are inherited. Additional mutations are short or long insertions and deletions of nucleotides, termed indels. Short indels in genes might change the reading frame and disrupt the gene product. Here we show that antibiotic treatment has a strong impact on indel evolution in an MTB outbreak. Namely, indels occur frequently in genes causing antibiotic resistance upon disruption. Furthermore, we show that the molecular clock, i.e., the temporal emergence of variants over time, holds for short indels in MTB genomes. Finally, we observe that indels may co-occur with substitutions in genes along related biological pathways. These results support the notion that indels are important contributors to MTB evolution. We anticipate that including indels in the analyses of MTB outbreaks will improve our understanding of antibiotic resistance evolution.