Abstract Gram-negative bacteremia is a major cause of global morbidity involving three phases of pathogenesis: initial site infection, dissemination, and survival in the blood and filtering organs. Klebsiella pneumoniae is a leading cause of bacteremia and pneumonia is often the initial infection. In the lung, K. pneumoniae relies on many factors like capsular polysaccharide and branched chain amino acid biosynthesis for virulence and fitness. However, mechanisms directly enabling bloodstream fitness are unclear. Here, we performed transposon insertion sequencing (TnSeq) in a tail-vein injection model of bacteremia and identified 58 K. pneumoniae bloodstream fitness genes. These factors are diverse and represent a variety of cellular processes. In vivo validation revealed tissue-specific mechanisms by which distinct factors support bacteremia. ArnD, involved in Lipid A modification, was required across blood filtering organs and supported resistance to soluble splenic factors. The purine biosynthesis enzyme PurD largely enhanced liver fitness and was required for replication in serum. PdxA, a member of the endogenous vitamin B6 biosynthesis pathway, optimized replication in serum and lung fitness. The stringent response regulator SspA was required for splenic fitness yet was dispensable in the liver. In a bacteremic pneumonia model that incorporates initial site infection and dissemination, splenic fitness defects were enhanced, and DsbA, SspA, and PdxA increased fitness across bacteremia phases. SspA and PdxA enhanced K. pnuemoniae resistance to oxidative stress. SspA specifically resists oxidative stress produced by NADPH oxidase Nox2 in the lung, spleen, and liver, as it was a fitness factor in wild-type but not Nox2-deficient ( Cybb −/− ) mice. These results identify site-specific fitness factors that act during the progression of Gram-negative bacteremia. Defining K. pneumoniae fitness strategies across bacteremia phases could illuminate therapeutic targets that prevent infection and sepsis. Author Summary Gram-negative bacteremia is a deadly family of infections that initiate sepsis, a leading cause of global morbidity and mortality. Only a small number of Gram-negative species contribute to the majority of clinical bacteremia. Klebsiella pneumoniae is the second leading cause of Gram-negative bacteremia, and the third leading cause of overall bloodstream infection. K. pneumoniae is highly linked to hospital-associated infection with increasing antimicrobial resistance, endangering the most vulnerable patients. It is critical to understand the pathogenesis of K. pneumoniae bacteremia to better develop targets for future therapies that can prevent these deadly infections. Here, we define over 50 K. pneumoniae genes that support bloodstream fitness. These factors are diverse, support tissue-specific fitness, and increase bacterial resistance to oxidative stress. Our study is the first to systematically define K. pneumoniae factors enhancing bacteremia in a mammalian system. These results illuminate host-pathogen interactions during K. pneumoniae bacteremia that may be extended to additional Gram-negative species.

There is a critical gap in knowledge about how Gram-negative bacterial pathogens, using survival strategies developed for other niches, cause lethal bacteremia. Facultative anaerobic species of the Enterobacterales order are the most common cause of Gram-negative bacteremia, including Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Serratia marcescens , Citrobacter freundii , and Enterobacter hormaechei . Bacteremia often leads to sepsis, a life-threatening organ dysfunction resulting from unregulated immune responses to infection. Despite a lack of specialization for this host environment, Gram-negative pathogens cause nearly half of bacteremia cases annually. Based on our existing Tn-Seq fitness factor data from a murine model of bacteremia combined with comparative genomics of the five Enterobacterales species above, we prioritized 18 conserved fitness genes or operons for further characterization. Mutants were constructed for all genes in all five species. Each mutant was used to cochallenge C57BL/6 mice via tail vein injection along with each respective wild-type strain to determine competitive indices for each fitness gene. Five fitness factor genes, when mutated, attenuated mutants in four or five species in the spleen and liver ( tatC , ruvA , gmhB , wzxE , arcA ). Five additional fitness factor genes or operons were validated as outcompeted by wild-type in three, four, or five bacterial species in the spleen ( xerC , prc , apaGH , atpG , aroC ). Overall, 17 of 18 fitness factor mutants were attenuated in at least one species in the spleen or liver. Together, these findings allow for the development of a model of bacteremia pathogenesis that may include future targets of therapy against bloodstream infections.

Bacteremia, a leading cause of death, generally arises after bacteria establish infection in a particular tissue and transit to secondary sites. Studying dissemination from primary sites by solely measuring bacterial burdens does not capture the movement of individual clones. Here, by barcoding Klebsiella pneumoniae, a leading cause of bacteremia, we tracked pathogen dissemination following pneumonia. Variability in organ bacterial burdens was attributable to two distinct dissemination patterns distinguished by the extent of clonal expansion in the lungs. In metastatic dissemination, bacterial clones underwent heterogeneous clonal expansion within the lung and the dominant clones spread to secondary organs. In direct dissemination, bacterial clones exited the lungs without clonal expansion, leading to lower burdens in systemic sites. We uncover bacterial and host factors that govern these two modes of dissemination. Our data reveal unexpected heterogeneity in the dynamics of Klebsiella bacteremia and define a new paradigm for understanding within-host bacterial dissemination.

Gut colonization by the pathogen Klebsiella pneumoniae (Kp) is consistently associated with subsequent Kp disease, and patients are predominantly infected with their colonizing strain. However, colonizing strains likely vary in their potential to cause infection. We previously identified the plasmid-encoded tellurium resistance (ter) operon as highly associated with infection when compared to asymptomatic colonization in hospitalized patients1. The ter operon bestows resistance to the toxic compound tellurite oxide (TeO3-2), but this is unlikely to be its physiological function, as tellurium and TeO3-2 are exceedingly rare. Here we show that terC is necessary and terZABCDEF is sufficient for phenotypic TeO3-2 resistance. Next, we demonstrate that ter is encoded on a diverse group of plasmids without known plasmid-encoded virulence genes, suggesting an independent role in infection. Finally, our studies indicate that ter is a gut fitness factor, and its fitness advantage is conferred only when specific gut microbiota constituents are present. Collectively, these data reveal the Kp ter operon that is highly associated with human infection likely acts early in pathogenesis as a horizontally-transferrable fitness factor promoting robust gut colonization in the presence of the indigenous microbiota.

Abstract There is a critical gap in knowledge about how Gram-negative bacterial pathogens, using survival strategies developed for other niches, cause lethal bacteremia. Facultative anaerobic species of the Enterobacterales order are the most common cause of Gram-negative bacteremia, including Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Serratia marcescens, Citrobacter freundii, and Enterobacter hormaechei . Bacteremia often leads to sepsis, a life-threatening organ dysfunction resulting from an unregulated immune response to infection. Despite a lack of specialization for this host environment, Gram-negative pathogens cause nearly half of bacteremia cases annually. Based on our existing Tn-Seq fitness factor data from a murine model of bacteremia combined with comparative genomics of the five Enterobacterales species above, we prioritized 18 conserved fitness genes or operons for further characterization. Each mutant in each species was used to cochallenge C57BL/6 mice via tail vein injection along with the respective wild-type strain to determine competitive indices for each fitness gene or operon. Among the five species, we found three fitness factor genes, that when mutated, attenuated the mutant for all species in the spleen and liver ( tatC, ruvA, gmhB ). Nine additional fitness factor genes or operons were validated as outcompeted by wild-type in three or four bacterial species in the spleen ( xerC , wzxE , arcA , prc , apaGH , atpG , lpdA , ubiH , aroC ). Overall, 17 of 18 fitness factor mutants were attenuated in at least one species in the spleen or liver. Together, these findings allow for the development of a model of bacteremia pathogenesis that may include future targets of therapy against bloodstream infections. >Author Summary Frequent cases of bacteremia plague our ICUs, bone marrow transplant units, and inpatient facilities. Nearly half of these infections are caused by Gram-negative bacteria. The Enterobacterales order including E. coli , K. pneumoniae, S. marcescens, C. freundii , and E. hormaechei are leading causes of bacteremia. An alarming proportion of these are due to antibiotic-resistant isolates, which are four times more likely to kill than antibiotic-susceptible isolates. Clearly, we need new therapeutic targets to treat cases of bacteremia and sepsis. Previously, it has been unclear what genes contribute to their ability to survive in this hostile host environment. We have previously undertaken unbiased genetic screens to identify 18 genes shared by all five bacterial genera that are required for survival in blood and blood-filtering organs. These include genes that encode proteins that maintain proton motive force, resist antimicrobial peptides and complement, mediate genome maintenance, transport key metabolites and proteins, avoid oxidative stress, acquire iron, and regulate key pathways. Mutants, constructed in these shared genes in the five species, were validated for a high proportion of genes as critical for infection in the mouse model of bacteremia.

Sepsis is life-threatening organ dysfunction due to an unregulated immune response to infection. Bacteremia is a leading cause of sepsis, and members of the Enterobacterales cause nearly half of bacteremia cases annually. While previous Tn-Seq studies to identify novel bacteremia-fitness genes have provided valuable insight into virulence mechanisms, evidence for common pathways across species was lacking. To identify common fitness pathways in five bacteremia-caused Enterobacterales species, we utilized the JCVI pan-genome pipeline to integrate Tn-Seq fitness data with multiple available functional data types. Core genes from species pan-genomes were used to construct a multi-species core pan-genome, producing 2,850 core gene clusters found in four out of the five species. Integration of Tn-Seq fitness data enabled identification of 373 protein clusters that were conserved in all five species. A scoring rubric was applied to these clusters, which incorporated Tn-Seq fitness defects, operon localization, and antibiotic susceptibility data to identify seven common bacteremia-fitness pathways. Mutations in tatC showed reduced fitness in vivo and increased susceptibility to beta-lactams that were restored following tatC complementation in trans . By integrating known operon structures and antibiotic susceptibility with Tn-Seq fitness data, common genes within the core pan-genome emerged and revealed mechanisms that are essential for colonization of, or survival in, the mammalian bloodstream. Our prediction and validation of tatC as a common bacteremia fitness factor and contributor of antibiotic resistance supports the utility of this bioinformatic approach. This study represents a major step forward to identify novel targets of therapy against these deadly widespread sepsis infections.

Abstract Healthcare-acquired infections are a leading cause of disease in patients that are hospitalized or in long-term care facilities. Klebsiella pneumoniae (Kp) is a leading cause of bacteremia, pneumonia, and urinary tract infections in these settings. Previous studies have established that the ter operon, a genetic locus that confers tellurite oxide (K 2 TeO 3 ) resistance, is associated with infection in colonized patients. Rather than enhancing fitness during infection, the ter operon increases Kp fitness during gut colonization; however, the biologically relevant function of this operon is unknown. First, using a murine model of urinary tract infection, we demonstrate a novel role for the ter operon protein TerC as a bladder fitness factor. To further characterize TerC, we explored a variety of functions, including resistance to metal-induced stress, resistance to ROS-induced stress, and growth on specific sugars, all of which were independent of TerC. Then, using well-defined experimental guidelines, we determined that TerC is necessary for tolerance to ofloxacin, polymyxin B, and cetylpyridinium chloride. We used an ordered transposon library constructed in a Kp strain lacking the ter operon to identify genes required to resist K 2 TeO 3 − and polymyxin B-induced stress, which suggested that K 2 TeO 3 -induced stress is experienced at the bacterial cell envelope. Finally, we confirmed that K 2 TeO 3 disrupts the Kp cell envelope, though these effects are independent of ter . Collectively, the results from these studies indicate a novel role for the ter operon as stress tolerance factor, therefore explaining its role in enhancing fitness in the gut and bladder.