Clinically relevant evolution studies are needed to help fight the spread of antibiotic resistance

The evolution of antibiotic resistance carries a fitness cost, expressed in terms of reduced competitive ability in the absence of antibiotics. This cost plays a key role in the dynamics of resistance by generating selection against resistance when bacteria encounter an antibiotic-free environment. Previous work has shown that the cost of resistance is highly variable, but the underlying causes remain poorly understood. Here, we use a meta-analysis of the published resistance literature to determine how the genetic basis of resistance influences its cost. We find that on average chromosomal resistance mutations carry a larger cost than acquiring resistance via a plasmid. This may explain why resistance often evolves by plasmid acquisition. Second, we find that the cost of plasmid acquisition increases with the breadth of its resistance range. This suggests a potentially important limit on the evolution of extensive multidrug resistance via plasmids. We also find that epistasis can significantly alter the cost of mutational resistance. Overall, our study shows that the cost of antimicrobial resistance can be partially explained by its genetic basis. It also highlights both the danger associated with plasmidborne resistance and the need to understand why resistance plasmids carry a relatively low cost.

Plasmids are important drivers of bacterial evolution, but it is challenging to understand how plasmids persist over the long term because plasmid carriage is costly. Classical models predict that horizontal transfer is necessary for plasmid persistence, but recent work shows that almost half of plasmids are non-transmissible. Here we use a combination of mathematical modelling and experimental evolution to investigate how a costly, non-transmissible plasmid, pNUK73, can be maintained in populations of Pseudomonas aeruginosa. Compensatory adaptation increases plasmid stability by eliminating the cost of plasmid carriage. However, positive selection for plasmid-encoded antibiotic resistance is required to maintain the plasmid by offsetting reductions in plasmid frequency due to segregational loss. Crucially, we show that compensatory adaptation and positive selection reinforce each other's effects. Our study provides a new understanding of how plasmids persist in bacterial populations, and it helps to explain why resistance can be maintained after antibiotic use is stopped.

ABSTRACT Heteroresistance – in which a clonal bacterial population contains a cell subpopulation with higher resistance to antibiotics than the main population – is a growing clinical problem that complicates susceptibility determination and threatens therapeutic success. Despite the high prevalence of heteroresistance in clinical settings, the underlying genetic mechanisms that stably maintain heterogeneous bacterial populations are poorly understood. Using fluorescence microscopy, single-cell microfluidics, and quantitative image analysis, we show that random replication and segregation of multicopy plasmids produce populations of bacterium Escherichia coli MG1655 in which cells with low-and high-plasmid copy numbers stably co-exist. By combining stochastic simulations of a computational model with high-throughput single-cell measurements of bla TEM-1 expression, we show that copy number variability confers the bacterial population with transient resistance to a lethal concentration of a β -lactam antibiotic. Moreover, this surviving, high plasmid copy minority is capable of regenerating a heterogeneous bacterial population with low and high plasmid copy numbers through segregational instability, rapidly alleviating the fitness burden of carrying large numbers of plasmids. Our results provide further support for the tenet that plasmids are more than simple vehicles for horizontal transmission of genetic information between cells, as they can also drive bacterial adaptation in dynamic environments by providing a platform for rapid amplification and attenuation of gene copy number that can accelerate the rate of resistance adaptation and can lead to treatment failure.

Abstract Many novel traits such as antibiotic resistance are spread by plasmids between species. Yet plasmids have different host ranges. Restriction-modification systems (R-M systems) are by far the most abundant bacterial defense system and therefore represent one of the key barriers to plasmid spread. However, their effect on plasmid evolution and host range has been neglected. Here we analyse the avoidance of targets of the most abundant R-M systems (Type II) for complete genomes and plasmids across bacterial diversity. For the most common target length (6 bp) we show that target avoidance is strongly correlated with the taxonomic distribution of R-M systems and is greater in plasmid genes than core genes. We find stronger avoidance of R-M targets in plasmids which are smaller and have a broader host range. Our results suggest two different evolutionary strategies for plasmids: small plasmids primarily adapt to R-M systems by tuning their sequence composition, and large plasmids primarily adapt through the carriage of additional genes protecting from restriction. Our work provides systematic evidence that R-M systems are important barriers to plasmid transfer and have left their mark on plasmids over long evolutionary time.

Abstract Staphylococcus aureus ST239 has been one of the most successful epidemic MRSA strains, and one of the leading causes of healthcare-associated MRSA infections. Here we investigate the evolution of ST239 using a combination of computational and experimental approaches. ST239 is thought to have emerged by a large scale chromosomal replacement event in which an ST8 clone acquired approximately 600 kb of DNA from an ST30 clone. Analysis of large-scale genomic data sets allowed us to confirm and refine the model of the origin of ST239. Importantly, we found that ST239 originated between the 1920s and 1945, implying that this MRSA lineage evolved at least 14 years before the clinical introduction of methicillin. Molecular evolution within ST239 has been dominated by purifying selection, although we found some evidence that the acquired region of the genome has evolved rapidly as a result of relaxed selective constraints. Crucially, we found that ST239 isolates have low competitive ability relative to both ST30 and ST8, demonstrating that this hybrid lineage is characterized by low fitness. We also found evidence of positive selection in a small number of genes involved in antibiotic resistance and virulence, suggesting that ST239 has evolved towards an increasingly pathogenic lifestyle. Collectively, these results support the view that low fitness has driven the recent decline of ST239, and highlight the challenge of using evolutionary approaches to understand the dynamics of pathogenic bacteria.

Abstract Antibiotic resistance poses a global health threat, but the within-host drivers of resistance remain poorly understood. Pathogen populations are often assumed to be clonal within hosts, and resistance is thought to emerge due to selection for de novo variants. Here we show that pulmonary populations of the opportunistic pathogen P. aeruginosa are often polyclonal. Crucially, resistance evolves rapidly in patients colonized by polyclonal populations through selection for pre-existing resistant strains. In contrast, resistance evolves sporadically in patients colonized by monoclonal populations due to selection for novel resistance mutations. However, strong trade-offs between resistance and fitness occur in polyclonal populations that can drive the loss of resistant strains. In summary, we show that the within-host diversity of pathogen populations plays a key role in shaping the emergence of resistance in response to treatment. One sentence summary Antibiotic resistance evolves quickly in patients colonized by polyclonal pathogen populations.

Abstract Colistin has emerged as an important last line of defence for the treatment of infections caused by antibiotic resistant Gram-negative pathogens. Here we investigate the responses of ≈1,000 populations of an MDR strain of P. aeruginosa to a high dose of colistin. Colistin exposure resulted in rapid cell death, but a sub-set of populations eventually recovered due to the outgrowth of heteroresistant cells. Genome sequencing revealed that heteroresistance was primarily driven by mutations in the PmrAB two-component system that occurred at a rate (≈2×10 -5 per cell division) that was 10 3 -10 4 fold higher than typical resistance mutation rates. Crucially, this elevated mutation rate was only found in pmrB , demonstrating that hypermutability is localized to this gene. PmrAB provides resistance to antimicrobial peptides that are involved in host immunity, suggesting that this pathogen may have evolved a high mutation rate as an adaption to generate mutants that are resistant to host antimicrobial peptides that are secreted during infection. Interestingly, we found no mutations in 1/3 of populations that recovered from colistin treatment, suggesting that phenotypic plasticity and/or persister cells contribute to the ability of Pseudomonas to adapt to colistin.

Abstract Antimicrobial peptides (AMPs) offer a promising solution to the antibiotic resistance crisis. However, an unresolved serious concern is that the evolution of resistance to therapeutic AMPs may generate cross-resistance to host AMPs, compromising a cornerstone of the innate immune response. We systematically tested this hypothesis using globally disseminated mobile colistin resistance (MCR) that has been selected by the use of colistin in agriculture and medicine. Here we show that MCR provides a selective advantage to E. coli in the presence of key AMPs from humans and agricultural animals by increasing AMP resistance. Moreover, MCR promotes bacterial growth in human serum and increases virulence in a Galleria mellonella infection model. Our study shows how the anthropogenic use of AMPs can drive the accidental evolution of resistance to the innate immune system of humans and animals. These findings have major implications for the design and use of therapeutic AMPs and they suggest that MCR will be difficult to eradicate, even if colistin use is withdrawn.