Abstract The distribution of fitness effects of new mutations is central to predicting adaptive evolution, but observing how it changes as organisms adapt is challenging. Here we use saturated, genome-wide insertion libraries to quantify how the fitness effects of new mutations changed in two E. coli populations that adapted to a constant environment for 15,000 generations. The proportions of neutral and deleterious mutations remained constant, despite large fitness gains. In contrast, the beneficial fraction declined rapidly, approximating an exponential distribution, with strong epistasis profoundly changing the genetic identity of adaptive mutations. Despite this volatility, many important targets of selection were predictable from the ancestral distribution. This predictability occurs because genetic target size contributed to the fixation of beneficial mutations as much as or more than their effect sizes. Overall, our results demonstrate that short-term adaptation can be idiosyncratic but empirically predictable, and that long-term dynamics can be described by simple statistical principles. One-Sentence Summary Couce et al. demonstrate that short-term bacterial adaptation is predictable at the scale of individual genes, while long-term adaptation is predictable at a global scale.

Abstract Our ability to predict the impact of mutations on traits relevant for disease and evolution remains severely limited by the dependence of their effects on the genetic background and environment. Even when molecular interactions between genes are known, it is unclear how these translate to organism-level interactions between alleles. We therefore characterized the interplay of genetic and environmental dependencies in determining fitness by quantifying ~4,000 fitness interactions between expression variants of two metabolic genes, in different environments. We detect a remarkable variety of environment-dependent interactions, and demonstrate they can be quantitatively explained by a mechanistic model accounting for catabolic flux, metabolite toxicity and expression costs. Complex fitness interactions between mutations can therefore be predicted simply from their simultaneous impact on a few connected molecular phenotypes.

Abstract Epistasis affects genome evolution together with our ability to predict individual mutation effects. The mechanistic basis of epistasis remains, however, largely unknown. To quantify and better understand interactions between fitness-affecting mutations, we focus on a 11 amino-acid α-helix of the protein β-lactamase TEM-1, and build a comprehensive library of more than 15,000 double mutants. Analysis of the growth rates of these mutants shows pervasive epistasis, which can be largely explained by a non-linear two-state model, where inactivating, destabilizing, neutral, or stabilizing mutations additively contribute to the phenotype. Hence, most epistatic interactions can be predicted by a non-linear model informed by single-point mutational measurements only. Deviations from the two-state model are consistently found for few pairs of residues, in particular when they are in contact. This result, as well as single-point mutation parameters, can be quantitatively found back through direct-coupling-analysis-based statistical models inferred from homologous sequence data. Our results thus shed light on the existence and the origins of the multiple determinants of the epistatic landscape, even at the level of small structural components of a protein, and suggest that the corresponding constraints shape the entire β-lactamase family.

Summary Objective Whole genome sequencing (WGS) of extended-spectrum β-lactamase-producing Escherichia coli (ESBL- E. coli ) in developing countries is lacking. Here we describe the population structure and molecular characteristics of ESBL- E. coli faecal isolates in rural Southern Niger. Methods Stools of 383 healthy participants were collected among which 92.4% were ESBL- E. coli carriers; 90 of these ESBL- E. coli containing stools (109 ESBL- E. coli isolates) were further analysed by WGS, using short- and long-reads. Results Most isolates belonged to the commensalism-adapted phylogroup A (83.5%), with high clonal diversity. The bla CTX-M-15 gene was the major ESBL determinant (98.1%), chromosome-integrated in approximately 50% of cases, in multiple integration sites. When plasmid-borne, bla CTX-M-15 was found in IncF (57.4%) and IncY plasmids (26.2%). Closely related plasmids were found in different genetic backgrounds. Genomic environment analysis of bla CTX-M-15 in closely related strains argued for mobilisation between plasmids or from plasmid to chromosome. Conclusions Massive prevalence of community faecal carriage of CTX-M-15-producing E. coli was observed in a rural region of Niger due to the spread of highly diverse A phylogroup commensalism-adapted clones, with frequent chromosomal integration of bla CTX-M-15 . Plasmid spread was also observed. These data suggest a risk of sustainable implementation of ESBL in community faecal carriage.

Abstract Escherichia coli , a commensal species of the human gut, is an opportunistic pathogen which can reach extra-intestinal compartments, including the bloodstream and the bladder, among others. In non-immunosuppressed patients, purifying or neutral evolution of E. coli populations has been reported in the gut. Conversely, it has been suggested that when migrating to extra-intestinal compartments, E. coli genomes undergo diversifying selection as supported by strong evidence for adaptation. The level of genomic polymorphism and the size of the populations translocating from the gut to extra-intestinal compartments is largely unknown. To gain insights in the pathophysiology of these translocations, we investigated the level of polymorphism and the evolutionary forces acting on the genomes of 77 E. coli isolated from various compartments in three immunosuppressed patients. We detected a unique strain for each patient across the blood, the urine and the gut. In one case, all isolates recovered were mutators i.e. isolates with a very high mutation rate. In all instances, we observed that translocation encompasses the majority of the genomic diversity present in the gut. The same signature of selection, whether purifying or diversifying, and as anticipated, neutral for mutator isolates, was observed in both the gut and bloodstream. Additionally, we found a limited number of non-specific mutations among compartments for non-mutator isolates. In all cases, urine isolates were dominated by neutral selection. These findings indicate that substantial proportions of populations are undergoing translocation and that they present a complex compartment-specific pattern of selection at the patient level. Importance It has been suggested that intra and extra-intestinal compartments differentially constrain the evolution of E. coli strains. Whether host particular conditions, such as immunosuppression, could affect the strain evolutionary trajectories remain understudied. We found that, in immunosuppressed patients, large fractions of E. coli gut populations are translocating with variable modifications of the signature of selection for commensal and pathogenic isolates according to the compartment and/or the patient. Such multiple site sampling should be performed in large cohorts of patients to get a better understanding of E. coli extra-intestinal diseases.

ABSTRACT Multiresistance plasmids belonging to the IncI incompatibility group have become one of the most pervasive plasmid types in extended-spectrum beta-lactamase producing Escherichia coli of animal origin. The extent of the burden imposed on the bacterial cell by these plasmids seems to contribute to the emergence of “epidemic” plasmids. However, in vivo data in the natural environment of the strain are scarce. Here, we investigated the cost of a bla CTX-M-1 -IncI1 epidemic plasmid in a commensal E. coli animal strain, UB12-RC, before and after oral inoculation of fifteen 6-to 8-week-old specific pathogen-free pigs. Growth rate in rich medium was determined on (i) UB12-RC and derivatives, with or without plasmid, in vivo and/or in vitro evolved, and (ii) strains that acquired the plasmid in the gut during the experiment. Although bla CTX-M-1 -IncI1 plasmid imposed no measurable burden on the recipient strain after conjugation and during the longitudinal carriage in the pig’s gut, we observed a significant difference in the bacterial growth rate between IncI1 plasmid-carrying and plasmid-free isolates collected during in vivo carriage. Only a few mutations on the chromosome of the UB12-RC derivatives were detected by whole-genome sequencing. RNA-Seq analysis of a selected set of these strains showed that transcriptional responses to the bla CTX-M-1 -IncI1 acquisition were limited, affecting metabolism, stress response, and motility functions. Our data suggest that the effect of IncI plasmid on host cells is limited, fitness cost being insufficient to act as a barrier to IncI plasmid spread among natural population of E. coli in the gut niche.

Abstract In Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), the absence of the subsarcolemmal dystrophin protein leads to repeated myofiber damages inducing cycles of muscle regeneration that is driven by muscle stem cells (MuSCs). With time, MuSC regenerative capacities are overwhelmed, leading to fibrosis and muscle atrophy. Whether MuSCs from DMD muscle have intrinsic defects that limit regenerative potential or are disrupted by their degenerative/regenerative environment is unclear. We investigated cell behavior and gene expression in human using MuSCs derived from DMD or healthy muscles. We found that proliferation, differentiation and fusion were not altered in DMD-MuSCs, but with time, they lost their myogenic identity twice as fast as healthy MuSCs. The rapid drift towards a fibroblast-like cell identity was observed at the clonal level, and resulted from the altered expression of epigenetic enzymes required to maintain the myogenic cell fate. Indeed, the re-expression of CBX3 , SMC3 , H2AFV and H3F3B prevented the MuSC identity drift. Amongst the epigenetic changes, a closing of chromatin at the gene encoding the transcription factor MEF2B caused a down-regulation of its expression and a loss of the myogenic fate. Thus, MEF2B is a key mediator of the myogenic identity in human MuSCs, that is altered in DMD pathology.

Escherichia coli is an increasingly antibiotic-resistant opportunistic pathogen. Few data are available on its ecological and evolutionary dynamics in its primary commensal niche, the vertebrate gut. Using Illumina and/or Nanopore technologies, we sequenced whole genomes of 210 E. coli isolates from 22 stools sampled during a 20-year period from a healthy man (ED) living in Paris, France. All phylogroups, except C, were represented, with a predominance of B2 (34.3%), followed by A and F (19% each) phylogroups. Thirty-five clones were identified based on their haplogroup and pairwise genomic single nucleotide polymorphism distance and classified in three phenotypes according to their abundance and residence time: 25 sub-dominant/transient (52 isolates), five dominant/transient (48 isolates) and five dominant/resident (110 isolates). Four over five dominant/resident clones belonged to B2 and closely related F phylogroups, whereas sub-dominant/transient clones belonged mainly to B1, A and D phylogroups. The long residence times of B2 clones seemed to be counterbalanced by lower colonization abilities. Clones with larger within-host frequency persisted for longer in the host. By comparing ED strain genomes to a collection of commensal E. coli genomes from 359 French individuals, we identified ED-specific genomic properties including a set of genes involved in a metabolic pathway (mhp cluster) and a very rare antiviral defense island. The E. coli colonization within the gut microbiota was shaped by both the intrinsic properties of the strain lineages, in particular longer residence of phylogroup B2, and the environmental constraints such as diet or phages.