Campylobacter jejuni, from the delta-epsilon group of proteobacteria, is a microaerophilic, Gram-negative, flagellate, spiral bacterium—properties it shares with the related gastric pathogen Helicobacter pylori. It is the leading cause of bacterial food-borne diarrhoeal disease throughout the world1. In addition, infection with C. jejuni is the most frequent antecedent to a form of neuromuscular paralysis known as Guillain–Barré syndrome2. Here we report the genome sequence of C. jejuni NCTC11168. C. jejuni has a circular chromosome of 1,641,481 base pairs (30.6% G+C) which is predicted to encode 1,654 proteins and 54 stable RNA species. The genome is unusual in that there are virtually no insertion sequences or phage-associated sequences and very few repeat sequences. One of the most striking findings in the genome was the presence of hypervariable sequences. These short homopolymeric runs of nucleotides were commonly found in genes encoding the biosynthesis or modification of surface structures, or in closely linked genes of unknown function. The apparently high rate of variation of these homopolymeric tracts may be important in the survival strategy of C. jejuni.

The Gram-negative bacterium Yersinia pestis is the causative agent of the systemic invasive infectious disease classically referred to as plague, and has been responsible for three human pandemics: the Justinian plague (sixth to eighth centuries), the Black Death (fourteenth to nineteenth centuries) and modern plague (nineteenth century to the present day). The recent identification of strains resistant to multiple drugs and the potential use of Y. pestis as an agent of biological warfare mean that plague still poses a threat to human health. Here we report the complete genome sequence of Y. pestis strain CO92, consisting of a 4.65-megabase (Mb) chromosome and three plasmids of 96.2 kilobases (kb), 70.3 kb and 9.6 kb. The genome is unusually rich in insertion sequences and displays anomalies in GC base-composition bias, indicating frequent intragenomic recombination. Many genes seem to have been acquired from other bacteria and viruses (including adhesins, secretion systems and insecticidal toxins). The genome contains around 150 pseudogenes, many of which are remnants of a redundant enteropathogenic lifestyle. The evidence of ongoing genome fluidity, expansion and decay suggests Y. pestis is a pathogen that has undergone large-scale genetic flux and provides a unique insight into the ways in which new and highly virulent pathogens evolve.

N-linked protein glycosylation is the most abundant posttranslation modification of secretory proteins in eukaryotes. A wide range of functions are attributed to glycan structures covalently linked to asparagine residues within the asparagine-X-serine/threonine consensus sequence (Asn-Xaa-Ser/Thr). We found an N-linked glycosylation system in the bacterium Campylobacter jejuni and demonstrate that a functional N-linked glycosylation pathway could be transferred into Escherichia coli . Although the bacterial N-glycan differs structurally from its eukaryotic counterparts, the cloning of a universal N-linked glycosylation cassette in E. coli opens up the possibility of engineering permutations of recombinant glycan structures for research and industrial applications.

Epidemic C. difficile (027/BI/NAP1) has rapidly emerged in the past decade as the leading cause of antibiotic-associated diarrhea worldwide. However, the key events in evolutionary history leading to its emergence and the subsequent patterns of global spread remain unknown. Here, we define the global population structure of C. difficile 027/BI/NAP1 using whole-genome sequencing and phylogenetic analysis. We show that two distinct epidemic lineages, FQR1 and FQR2, not one as previously thought, emerged in North America within a relatively short period after acquiring the same fluoroquinolone resistance-conferring mutation and a highly related conjugative transposon. The two epidemic lineages showed distinct patterns of global spread, and the FQR2 lineage spread more widely, leading to healthcare-associated outbreaks in the UK, continental Europe and Australia. Our analysis identifies key genetic changes linked to the rapid transcontinental dissemination of epidemic C. difficile 027/BI/NAP1 and highlights the routes by which it spreads through the global healthcare system.

Francisella tularensis is one of the most infectious human pathogens known. In the past, both the former Soviet Union and the US had programs to develop weapons containing the bacterium. We report the complete genome sequence of a highly virulent isolate of F. tularensis (1,892,819 bp). The sequence uncovers previously uncharacterized genes encoding type IV pili, a surface polysaccharide and iron-acquisition systems. Several virulence-associated genes were located in a putative pathogenicity island, which was duplicated in the genome. More than 10% of the putative coding sequences contained insertion-deletion or substitution mutations and seemed to be deteriorating. The genome is rich in IS elements, including IS630 Tc-1 mariner family transposons, which are not expected in a prokaryote. We used a computational method for predicting metabolic pathways and found an unexpectedly high proportion of disrupted pathways, explaining the fastidious nutritional requirements of the bacterium. The loss of biosynthetic pathways indicates that F. tularensis is an obligate host-dependent bacterium in its natural life cycle. Our results have implications for our understanding of how highly virulent human pathogens evolve and will expedite strategies to combat them.

The continued rise of Clostridium difficile infections worldwide has been accompanied by the rapid emergence of a highly virulent clone designated PCR-ribotype 027. To understand more about the evolution of this virulent clone, we made a three-way genomic and phenotypic comparison of an 'historic' non-epidemic 027 C. difficile (CD196), a recent epidemic and hypervirulent 027 (R20291) and a previously sequenced PCR-ribotype 012 strain (630). Although the genomes are highly conserved, the 027 genomes have 234 additional genes compared to 630, which may contribute to the distinct phenotypic differences we observe between these strains relating to motility, antibiotic resistance and toxicity. The epidemic 027 strain has five unique genetic regions, absent from both the non-epidemic 027 and strain 630, which include a novel phage island, a two component regulatory system and transcriptional regulators. A comparison of a series of 027 isolates showed that some of these genes appeared to have been gained by 027 strains over the past two decades. This study provides genetic markers for the identification of 027 strains and offers a unique opportunity to explain the recent emergence of a hypervirulent bacterium.

Clostridium difficile has rapidly emerged as the leading cause of antibiotic-associated diarrheal disease, with the transcontinental spread of various PCR ribotypes, including 001, 017, 027 and 078. However, the genetic basis for the emergence of C. difficile as a human pathogen is unclear. Whole genome sequencing was used to analyze genetic variation and virulence of a diverse collection of thirty C. difficile isolates, to determine both macro and microevolution of the species. Horizontal gene transfer and large-scale recombination of core genes has shaped the C. difficile genome over both short and long time scales. Phylogenetic analysis demonstrates C. difficile is a genetically diverse species, which has evolved within the last 1.1–85 million years. By contrast, the disease-causing isolates have arisen from multiple lineages, suggesting that virulence evolved independently in the highly epidemic lineages.

ABSTRACT Clostridium difficile persists in hospitals by exploiting an infection cycle that is dependent on humans shedding highly resistant and infectious spores. Here we show that human virulent C. difficile can asymptomatically colonize the intestines of immunocompetent mice, establishing a carrier state that persists for many months. C. difficile carrier mice consistently shed low levels of spores but, surprisingly, do not transmit infection to cohabiting mice. However, antibiotic treatment of carriers triggers a highly contagious supershedder state, characterized by a dramatic reduction in the intestinal microbiota species diversity, C. difficile overgrowth, and excretion of high levels of spores. Stopping antibiotic treatment normally leads to recovery of the intestinal microbiota species diversity and suppresses C. difficile levels, although some mice persist in the supershedding state for extended periods. Spore-mediated transmission to immunocompetent mice treated with antibiotics results in self-limiting mucosal inflammation of the large intestine. In contrast, transmission to mice whose innate immune responses are compromised (Myd88 −/− ) leads to a severe intestinal disease that is often fatal. Thus, mice can be used to investigate distinct stages of the C. difficile infection cycle and can serve as a valuable surrogate for studying the spore-mediated transmission and interactions between C. difficile and the host and its microbiota, and the results obtained should guide infection control measures.

ABSTRACT Clostridium difficile is a major cause of chronic antibiotic-associated diarrhea and a significant health care-associated pathogen that forms highly resistant and infectious spores. Spo0A is a highly conserved transcriptional regulator that plays a key role in initiating sporulation in Bacillus and Clostridium species. Here, we use a murine model to study the role of the C. difficile spo0A gene during infection and transmission. We demonstrate that C. difficile spo0A mutant derivatives can cause intestinal disease but are unable to persist within and effectively transmit between mice. Thus, the C. difficile Spo0A protein plays a key role in persistent infection, including recurrence and host-to-host transmission in mice.