Abstract Background Despite more than a century of research, genetic manipulation of Treponema pallidum subsp. pallidum ( T. pallidum ), the causative agent of syphilis, has not been successful. The lack of genetic engineering tools has severely limited understanding of the mechanisms behind T. pallidum success as a pathogen. A recently described method for in vitro cultivation of T. pallidum, however, has made it possible to experiment with transformation and selection protocols in this pathogen. Here, we describe an approach that successfully replaced the tprA ( tp0009 ) pseudogene in the SS14 T. pallidum strain with a kanamycin resistance ( kan R ) cassette. Principal findings A suicide vector was constructed using the pUC57 plasmid backbone. In the vector, the kan R gene was cloned downstream of the tp0574 gene promoter. The tp0574 prom- kan R cassette was then placed between two 1-kbp homology arms identical to the sequences upstream and downstream of the tprA pseudogene. To induce homologous recombination and integration of the kan R cassette into the T. pallidum chromosome, in vitro -cultured SS14 strain spirochetes were exposed to the engineered vector in a CaCl 2 -based transformation buffer and let recover for 24 hours before adding kanamycin-containing selective media. Integration of the kan R cassette was demonstrated by qualitative PCR, droplet digital PCR (ddPCR), and whole-genome sequencing (WGS) of transformed treponemes propagated in vitro and in vivo . ddPCR analysis of RNA and mass spectrometry confirmed expression of the kan R message and protein in treponemes propagated in vitro . Moreover, tprA knockout ( tprA ko -SS14) treponemes grew in kanamycin concentrations that were 64 times higher than the MIC for the wild-type SS14 (wt-SS14) strain and in infected rabbits treated with kanamycin. Conclusion We demonstrated that genetic manipulation of T. pallidum is attainable. This discovery will allow the application of functional genetics techniques to study syphilis pathogenesis and improve syphilis vaccine development. Author Summary Syphilis is still an endemic disease in many low- and middle-income countries, and it has been resurgent in high-income nations for almost two decades. In endemic areas, syphilis causes significant morbidity and mortality, particularly when its causative agent, the spirochete Treponema pallidum subsp . pallidum ( T. pallidum ) is transmitted to the fetus during pregnancy. A better understanding of T. pallidum biology and syphilis pathogenesis would help devise better control strategies for this infection. One of the limitations associated with working with T. pallidum was our inability to genetically alter this pathogen to evaluate the function of genes encoding virulence factors or create attenuated strains that could be useful for vaccine development. Here, we report a transformation protocol that allowed us to replace a specific region of the T. pallidum genome containing a pseudogene (i.e., a non-functional gene) with a stably integrated kanamycin resistance gene. To our knowledge, this is the first-ever report of a method to achieve a genetically modified T. pallidum strain and, as such, it can revolutionize research in the syphilis field.

ABSTRACT Isolation of Treponema pallidum subsp. pallidum strains still relies on rabbit intratesticular inoculation of clinical samples. Here, we report an alternative isolation approach based on the inoculation of fresh and frozen needle aspirates of primary experimental lesions into culture plates suitable for in vitro propagation of the syphilis agent. SUMMARY We report on a rabbit-free in vitro isolation approach for syphilis strains that can be easily adapted to clinical specimens.

Abstract The New Pathways in Syphilis Vaccine Development meeting was held prior to the start of the STI & HIV 2023 World Congress as a pre-meeting symposium to highlight recent advances in the development of an effective syphilis vaccine and discuss the challenges still faced by investigators. Internationally renowned public health officials, clinical investigators, and basic researchers from academia, government, and community-based organizations met on the 24 th of July 2023 in Chicago, Illinois. Four speakers discussed key research findings in syphilis vaccine development, which included antigen selection, identification of epitopes associated with protective immunity, and delivery platforms, with great emphasis on development of chimeric antigens. Significant progress was also shown on the elucidation of Treponema pallidum genomes from virtually all continents to assess the diversity in vaccine candidates of the syphilis spirochete.

The TprK protein of the syphilis agent, Treponema pallidum subsp. pallidum ( T. pallidum ), undergoes antigenic variation in seven discrete variable (V) regions via non-reciprocal segmental gene conversion. These recombination events transfer information from a repertoire of 53 silent chromosomal donor cassettes (DCs) into the single tprK expression site to continually generate TprK variants. Several lines of research developed over the last two decades support the theory that this mechanism is central to T. pallidum 's ability for immune avoidance and persistence in the host. Structural and modeling data, for example, identify TprK as an integral outer membrane porin with the V regions exposed on the pathogen's surface. Furthermore, infection-induced antibodies preferentially target the V regions rather than the predicted β-barrel scaffolding, and sequence variation abrogates the binding of antibodies elicited by antigenically different V regions. Here, we engineered a T. pallidum strain to impair its ability to vary TprK and assessed its virulence in the rabbit model of syphilis.A suicide vector was transformed into the wild-type (WT) SS14 T. pallidum isolate to eliminate 96% of its tprK DCs. The resulting SS14-DC KO strain exhibited an in vitro growth rate identical to the untransformed strain, supporting that the elimination of the DCs did not affect strain viability in absence of immune pressure. In rabbits injected intradermally with the SS14-DC KO strain, generation of new TprK sequences was impaired, and the animals developed attenuated lesions with a significantly reduced treponemal burden compared to control animals. During infection, clearance of V region variants originally in the inoculum mirrored the generation of antibodies to these variants, although no new variants were generated in the SS14-DC KO strain to overcome immune pressure. Naïve rabbits that received lymph node extracts from animals infected with the SS14-DC KO strain remained uninfected.These data further support the critical role of TprK in T. pallidum virulence and persistence during infection.Syphilis is still endemic in low- and middle-income countries, and it has been resurgent in high-income nations, including the U.S., for years. In endemic areas, there is still significant morbidity and mortality associated with this disease, particularly when its causative agent, the spirochete Treponema pallidum subsp . pallidum ( T. pallidum ) infects the fetus during pregnancy. Improving our understanding of syphilis pathogenesis and T. pallidum biology could help investigators devise better control strategies for this serious infection. Now that tools to genetically manipulate this pathogen are available, we can engineer T. pallidum strains lacking specific genes or genomic regions known (or believed) to be associated with virulence. This approach can shed light on the role of the ablated genes or sequences in disease development using loss-of-function strains. Here, we derived a knockout (KO) T. pallidum mutant (SS14-DC KO ) impaired in its ability to undergo antigenic variation of TprK, a protein that has long been hypothesized to be central in evasion of the host immune response and pathogen persistence during infection. When compared to the WT isolate, which is still capable of antigenic variation, the SS14-DC KO strain is significantly attenuated in its ability to proliferate and to induce early disease manifestations in infected rabbits. Our results further support the importance of TprK antigenic variation in syphilis pathogenesis and pathogen persistence.

Abstract Background Histologic and serologic studies suggest the induction of local and systemic Treponema pallidum-specific CD4+ T-cell responses to T. pallidum infection. We hypothesized that T. pallidum-specific CD4+ T cells are detectable in blood and in the skin rash of secondary syphilis and persist in both compartments after treatment. Methods Peripheral blood mononuclear cells collected from 67 participants were screened by interferon-γ (IFN-γ) ELISPOT response to T. pallidum sonicate. T. pallidum-reactive T-cell lines from blood and skin were probed for responses to 89 recombinant T. pallidum antigens. Peptide epitopes and HLA class II restriction were defined for selected antigens. Results We detected CD4+ T-cell responses to T. pallidum sonicate ex vivo. Using T. pallidum-reactive T-cell lines we observed recognition of 14 discrete proteins, 13 of which localize to bacterial membranes or the periplasmic space. After therapy, T. pallidum-specific T cells persisted for at least 6 months in skin and 10 years in blood. Conclusions T. pallidum infection elicits an antigen-specific CD4+ T-cell response in blood and skin. T. pallidum-specific CD4+ T cells persist as memory in both compartments long after curative therapy. The T. pallidum antigenic targets we identified may be high-priority vaccine candidates.

Abstract Sequencing of most Treponema pallidum ( T. pallidum ) genomes excludes repeat regions in tp0470 and the tp0433 gene, encoding the acidic repeat protein ( arp ). As a first step to understanding the evolution and function of these genes and the proteins they encode, we developed a protocol to nanopore sequence tp0470 and arp genes from 212 clinical samples collected from ten countries on six continents. Both tp0470 and arp repeat structures recapitulate the whole genome phylogeny, with subclade-specific patterns emerging. The number of tp0470 repeats is on average appears to be higher in Nichols-like clade strains than in SS14-like clade strains. Consistent with previous studies, we found that 14-repeat arp sequences predominate across both major clades, but the combination and order of repeat type varies among subclades, with many arp sequence variants limited to a single subclade. Although strains that were closely related by whole genome sequencing frequently had the same arp repeat length, this was not always the case. Structural modelling of TP0470 suggested that the eight residue repeats form an extended α-helix, predicted to be periplasmic. Modeling of the ARP revealed a C-terminal sporulation-related repeat (SPOR) domain, predicted to bind denuded peptidoglycan, with repeat regions possibly incorporated into a highly charged β- sheet. Outside of the repeats, all TP0470 and ARP amino acid sequences were identical. Together, our data, along with functional considerations, suggests that both TP0470 and ARP proteins may be involved in T. pallidum cell envelope remodeling and homeostasis, with their highly plastic repeat regions playing as-yet-undetermined roles.

Syphilis swept across the world in the 16th century as one of most prominent documented pandemics and is re-emerging worldwide despite the availability of effective antibiotics. Little is known about the genetic patterns in current infections or the evolutionary origins of the disease due to the non-cultivable and clonal nature of the causative bacterium Treponema pallidum subsp. pallidum. In this study, we used DNA capture and next generation sequencing to obtain whole genome data from syphilis patient specimens and from treponemes propagated in laboratory settings. Phylogenetic analyses indicate that the syphilis strains examined here share a common ancestor after the 15th century. Moreover, most contemporary strains are azithromycin resistant and members of a globally dominant cluster named here as SS14- Ω. This cluster diversified from a common ancestor in the mid-20th century and has the population genetic and epidemiological features indicative of the emergence of a pandemic strain cluster.

ABSTRACT Several recent studies have focused on the identification, functional analysis, and structural characterization of outer membrane proteins (OMPs) of Treponema pallidum ( Tp ). The Tp species encompasses the highly related pallidum , pertenue, and endemicum subspecies of this pathogen, known to be the causative agents of syphilis, yaws, and bejel, respectively. These studies highlighted the importance of identifying surface-exposed OMP regions and the identification of B-cell epitopes that could be protective and used in vaccine development efforts. We previously reported that the TprC and TprD OMPs of Tp are predicted to contain external loops scattered throughout the entire length of the proteins, several of which show a low degree of sequence variability among strains and subspecies. In this study, these models were corroborated using AlphaFold2, a state-of-the-art protein structure modeling software. Here, we identified B-cell epitopes across the full-length TprC and TprD variants using the Geysan pepscan mapping approach with antisera from rabbits infected with syphilis, yaws, and bejel strains and from animals immunized with refolded recombinant TprC proteins from three syphilis strains. Our results show that the humoral response is primarily directed to sequences predicted to be on surface-exposed loops of TprC and TprD proteins, and that the magnitude of the humoral response to individual epitopes differs among animals infected with various syphilis strains and Tp subspecies. Rather than exhibiting strain-specificity, antisera showed various degrees of cross-reactivity with variant sequences from other strains. The data support the further exploration of TprC and TprD as vaccine candidates.

SUMMARY The recently discovered methodologies to cultivate and genetically manipulate Treponema pallidum subsp. pallidum ( T. pallidum ) have significantly helped syphilis research, allowing the in vitro evaluation of antibiotic efficacy, performance of controlled studies to assess differential treponemal gene expression, and generation of loss-of-function mutants to evaluate the contribution of specific genetic loci to T. pallidum virulence. Building on this progress, we engineered the T. pallidum SS14 strain to express a red-shifted Green Fluorescent Protein (GFP) and Sf1Ep cells to express mCherry and blue fluorescent protein (BFP) for enhanced visualization. These new resources improve microscopy- and cell sorting-based applications for T. pallidum , better capturing the physical interaction between the host and pathogen, among other possibilities. Continued efforts to develop and share new tools and resources are required to help our overall knowledge of T. pallidum biology and syphilis pathogenesis reach that of other bacterial pathogens, including spirochetes. Graphical abstract By employing genetic engineering, T. pallidum was modified to express GFP, and Sf1Ep cells to express mCherry on the cytoplasmic membrane and BFP in the nucleus. These new resources for syphilis research will facilitate experimental designs to better define the complex interplay between T. pallidum and the host during infection.

Immune evasion and disease progression of Treponema pallidum subspecies pallidum are associated with sequence diversity in the hypervariable, putative outer membrane protein TprK. Previous attempts to study variation within TprK have sequenced at depths insufficient to fully appreciate the hypervariable nature of the protein, failed to establish linkage between the protein's 7 variable regions, or were conducted on strains passed through rabbits. As a consequence, a complete profiling of tprK during infection in the human host is still lacking. Furthermore, prior studies examining how T. pallidum uses its repertoire of genomic donor sites to generate diversity within the V regions of the tprK also yielded a partial understanding of this process, due to the limited number of tprK alleles examined. In this study, we used short- and long-read deep sequencing to directly characterize full-length tprK alleles from T. pallidum collected from early lesions of patients attending two STD clinics in Italy. Our data, combined with recent data available on Chinese T. pallidum strains, show the near complete absence of overlap in TprK sequences among the 41 strains profiled to date. Moreover, our data allowed us to redefine the boundaries of tprK V regions, identify 55 donor sites, and estimate the total number of TprK variants that T. pallidum can potentially generate. Altogether, our results support how T. pallidum TprK antigenic variation system is an unsurmountable obstacle for the human immune system to naturally achieve infection eradication, and reiterate the importance of this mechanism for pathogen persistence in the host.