Recombination is an important evolutionary force in bacteria, but it remains challenging to reconstruct the imports that occurred in the ancestry of a genomic sample. Here we present ClonalFrameML, which uses maximum likelihood inference to simultaneously detect recombination in bacterial genomes and account for it in phylogenetic reconstruction. ClonalFrameML can analyse hundreds of genomes in a matter of hours, and we demonstrate its usefulness on simulated and real datasets. We find evidence for recombination hotspots associated with mobile elements in Clostridium difficile ST6 and a previously undescribed 310kb chromosomal replacement in Staphylococcus aureus ST582. ClonalFrameML is freely available at http://clonalframeml.googlecode.com/.

Abstract We describe a model-based method for using multilocus sequence data to infer the clonal relationships of bacteria and the chromosomal position of homologous recombination events that disrupt a clonal pattern of inheritance. The key assumption of our model is that recombination events introduce a constant rate of substitutions to a contiguous region of sequence. The method is applicable both to multilocus sequence typing (MLST) data from a few loci and to alignments of multiple bacterial genomes. It can be used to decide whether a subset of isolates share common ancestry, to estimate the age of the common ancestor, and hence to address a variety of epidemiological and ecological questions that hinge on the pattern of bacterial spread. It should also be useful in associating particular genetic events with the changes in phenotype that they cause. We show that the model outperforms existing methods of subdividing recombinogenic bacteria using MLST data and provide examples from Salmonella and Bacillus. The software used in this article, ClonalFrame, is available from http://bacteria.stats.ox.ac.uk/.

It has been thought that Clostridium difficile infection is transmitted predominantly within health care settings. However, endemic spread has hampered identification of precise sources of infection and the assessment of the efficacy of interventions.

Abstract It is a standard practice to test for the signature of homologous recombination in studies examining the genetic diversity of bacterial populations. Although it has emerged that homologous recombination rates can vary widely between species, comparing the results from different studies is made difficult by the diversity of estimation methods used. Here, Multi Locus Sequence Typing (MLST) datasets from a wide variety of bacteria and archaea are analyzed using the ClonalFrame method. This enables a direct comparison between species and allows for a first exploration of the question whether phylogeny or ecology is the primary determinant of homologous recombination rate.

Abstract Colistin represents one of the few available drugs for treating infections caused by carbapenem-resistant Enterobacteriaceae . As such, the recent plasmid-mediated spread of the colistin resistance gene mcr-1 poses a significant public health threat, requiring global monitoring and surveillance. Here, we characterize the global distribution of mcr-1 using a data set of 457 mcr-1- positive sequenced isolates. We find mcr-1 in various plasmid types but identify an immediate background common to all mcr-1 sequences. Our analyses establish that all mcr-1 elements in circulation descend from the same initial mobilization of mcr-1 by an IS A pl1 transposon in the mid 2000s (2002–2008; 95% highest posterior density), followed by a marked demographic expansion, which led to its current global distribution. Our results provide the first systematic phylogenetic analysis of the origin and spread of mcr-1 , and emphasize the importance of understanding the movement of antibiotic resistance genes across multiple levels of genomic organization.

ABSTRACT Escherichia coli sequence type 131 (ST131) has emerged globally as the most predominant extraintestinal pathogenic lineage within this clinically important species, and its association with fluoroquinolone and extended-spectrum cephalosporin resistance impacts significantly on treatment. The evolutionary histories of this lineage, and of important antimicrobial resistance elements within it, remain unclearly defined. This study of the largest worldwide collection ( n = 215) of sequenced ST131 E. coli isolates to date demonstrates that the clonal expansion of two previously recognized antimicrobial-resistant clades, C1/ H 30R and C2/ H 30Rx, started around 25 years ago, consistent with the widespread introduction of fluoroquinolones and extended-spectrum cephalosporins in clinical medicine. These two clades appear to have emerged in the United States, with the expansion of the C2/ H 30Rx clade driven by the acquisition of a bla CTX-M-15 -containing IncFII-like plasmid that has subsequently undergone extensive rearrangement. Several other evolutionary processes influencing the trajectory of this drug-resistant lineage are described, including sporadic acquisitions of CTX-M resistance plasmids and chromosomal integration of bla CTX-M within subclusters followed by vertical evolution. These processes are also occurring for another family of CTX-M gene variants more recently observed among ST131, the bla CTX-M-14/14-like group. The complexity of the evolutionary history of ST131 has important implications for antimicrobial resistance surveillance, epidemiological analysis, and control of emerging clinical lineages of E. coli . These data also highlight the global imperative to reduce specific antibiotic selection pressures and demonstrate the important and varied roles played by plasmids and other mobile genetic elements in the perpetuation of antimicrobial resistance within lineages. IMPORTANCE Escherichia coli , perennially a major bacterial pathogen, is becoming increasingly difficult to manage due to emerging resistance to all preferred antimicrobials. Resistance is concentrated within specific E. coli lineages, such as sequence type 131 (ST131). Clarification of the genetic basis for clonally associated resistance is key to devising intervention strategies. We used high-resolution genomic analysis of a large global collection of ST131 isolates to define the evolutionary history of extended-spectrum beta-lactamase production in ST131. We documented diverse contributory genetic processes, including stable chromosomal integrations of resistance genes, persistence and evolution of mobile resistance elements within sublineages, and sporadic acquisition of different resistance elements. Both global distribution and regional segregation were evident. The diversity of resistance element acquisition and propagation within ST131 indicates a need for control and surveillance strategies that target both bacterial strains and mobile genetic elements.

BackgroundThe control of Clostridium difficile infections is an international clinical challenge. The incidence of C difficile in England declined by roughly 80% after 2006, following the implementation of national control policies; we tested two hypotheses to investigate their role in this decline. First, if C difficile infection declines in England were driven by reductions in use of particular antibiotics, then incidence of C difficile infections caused by resistant isolates should decline faster than that caused by susceptible isolates across multiple genotypes. Second, if C difficile infection declines were driven by improvements in hospital infection control, then transmitted (secondary) cases should decline regardless of susceptibility.MethodsRegional (Oxfordshire and Leeds, UK) and national data for the incidence of C difficile infections and antimicrobial prescribing data (1998–2014) were combined with whole genome sequences from 4045 national and international C difficile isolates. Genotype (multilocus sequence type) and fluoroquinolone susceptibility were determined from whole genome sequences. The incidence of C difficile infections caused by fluoroquinolone-resistant and fluoroquinolone-susceptible isolates was estimated with negative-binomial regression, overall and per genotype. Selection and transmission were investigated with phylogenetic analyses.FindingsNational fluoroquinolone and cephalosporin prescribing correlated highly with incidence of C difficile infections (cross-correlations >0·88), by contrast with total antibiotic prescribing (cross-correlations <0·59). Regionally, C difficile decline was driven by elimination of fluoroquinolone-resistant isolates (approximately 67% of Oxfordshire infections in September, 2006, falling to approximately 3% in February, 2013; annual incidence rate ratio 0·52, 95% CI 0·48–0·56 vs fluoroquinolone-susceptible isolates: 1·02, 0·97–1·08). C difficile infections caused by fluoroquinolone-resistant isolates declined in four distinct genotypes (p<0·01). The regions of phylogenies containing fluoroquinolone-resistant isolates were short-branched and geographically structured, consistent with selection and rapid transmission. The importance of fluoroquinolone restriction over infection control was shown by significant declines in inferred secondary (transmitted) cases caused by fluoroquinolone-resistant isolates with or without hospital contact (p<0·0001) versus no change in either group of cases caused by fluoroquinolone-susceptible isolates (p>0·2).InterpretationRestricting fluoroquinolone prescribing appears to explain the decline in incidence of C difficile infections, above other measures, in Oxfordshire and Leeds, England. Antimicrobial stewardship should be a central component of C difficile infection control programmes.FundingUK Clinical Research Collaboration (Medical Research Council, Wellcome Trust, National Institute for Health Research); NIHR Oxford Biomedical Research Centre; NIHR Health Protection Research Unit on Healthcare Associated Infection and Antimicrobial Resistance (Oxford University in partnership with Public Health England [PHE]), and on Modelling Methodology (Imperial College, London in partnership with PHE); and the Health Innovation Challenge Fund.

Genome-wide association studies have the potential to identify causal genetic factors underlying important phenotypes but have rarely been performed in bacteria. We present an association mapping method that takes into account the clonal population structure of bacteria and is applicable to both core and accessory genome variation. Campylobacter is a common cause of human gastroenteritis as a consequence of its proliferation in multiple farm animal species and its transmission via contaminated meat and poultry. We applied our association mapping method to identify the factors responsible for adaptation to cattle and chickens among 192 Campylobacter isolates from these and other host sources. Phylogenetic analysis implied frequent host switching but also showed that some lineages were strongly associated with particular hosts. A seven-gene region with a host association signal was found. Genes in this region were almost universally present in cattle but were frequently absent in isolates from chickens and wild birds. Three of the seven genes encoded vitamin B5 biosynthesis. We found that isolates from cattle were better able to grow in vitamin B5-depleted media and propose that this difference may be an adaptation to host diet.

Whole-genome sequencing offers new insights into the evolution of bacterial pathogens and the etiology of bacterial disease. Staphylococcus aureus is a major cause of bacteria-associated mortality and invasive disease and is carried asymptomatically by 27% of adults. Eighty percent of bacteremias match the carried strain. However, the role of evolutionary change in the pathogen during the progression from carriage to disease is incompletely understood. Here we use high-throughput genome sequencing to discover the genetic changes that accompany the transition from nasal carriage to fatal bloodstream infection in an individual colonized with methicillin-sensitive S. aureus. We found a single, cohesive population exhibiting a repertoire of 30 single-nucleotide polymorphisms and four insertion/deletion variants. Mutations accumulated at a steady rate over a 13-mo period, except for a cluster of mutations preceding the transition to disease. Although bloodstream bacteria differed by just eight mutations from the original nasally carried bacteria, half of those mutations caused truncation of proteins, including a premature stop codon in an AraC-family transcriptional regulator that has been implicated in pathogenicity. Comparison with evolution in two asymptomatic carriers supported the conclusion that clusters of protein-truncating mutations are highly unusual. Our results demonstrate that bacterial diversity in vivo is limited but nonetheless detectable by whole-genome sequencing, enabling the study of evolutionary dynamics within the host. Regulatory or structural changes that occur during carriage may be functionally important for pathogenesis; therefore identifying those changes is a crucial step in understanding the biological causes of invasive bacterial disease.

To investigate the prospects of newly available benchtop sequencers to provide rapid whole-genome data in routine clinical practice. Next-generation sequencing has the potential to resolve uncertainties surrounding the route and timing of person-to-person transmission of healthcare-associated infection, which has been a major impediment to optimal management.