New animal models of Zika virus (ZIKV) infection are imperative to accelerating efforts to treat or prevent disease in humans. Adams Waldorf et al. now report that ZIKV infection of a pregnant female pigtailed macaque caused brain lesions in the developing fetus, suggesting that this model may be useful for understanding ZIKV-associated congenital abnormalities in humans. We describe the development of fetal brain lesions after Zika virus (ZIKV) inoculation in a pregnant pigtail macaque. Periventricular lesions developed within 10 d and evolved asymmetrically in the occipital–parietal lobes. Fetal autopsy revealed ZIKV in the brain and significant cerebral white matter hypoplasia, periventricular white matter gliosis, and axonal and ependymal injury. Our observation of ZIKV-associated fetal brain lesions in a nonhuman primate provides a model for therapeutic evaluation.

ABSTRACT Klebsiella pneumoniae is a leading cause of Gram-negative bacteremia, which is a major source of morbidity and mortality worldwide. Gram-negative bacteremia requires three major steps: primary site infection, dissemination to the blood, and bloodstream survival. Since K. pneumoniae is a leading cause of healthcare-associated pneumonia, the lung is a common primary infection site leading to secondary bacteremia. K. pneumoniae factors essential for lung fitness have been characterized, but those required for subsequent bloodstream infection are unclear. To identify K. pneumoniae genes associated with dissemination and bloodstream survival, we performed insertion site sequencing (InSeq) using a pool of >25,000 transposon mutants in a murine model of bacteremic pneumonia. This analysis revealed the gene gmhB as important for either dissemination from the lung or bloodstream survival. In Escherichia coli , GmhB is a partially redundant enzyme in the synthesis of ADP-heptose for the lipopolysaccharide (LPS) core. To characterize its function in K. pneumoniae , an isogenic knockout strain (Δ gmhB ) and complemented mutant were generated. During pneumonia, GmhB did not contribute to lung fitness and did not alter normal immune responses. However, GmhB enhanced bloodstream survival in a manner independent of serum susceptibility, specifically conveying resistance to spleen-mediated killing. In a tail-vein injection of murine bacteremia, GmhB was also required by K. pneumoniae , E. coli and Citrobacter freundii for optimal bloodstream survival. Together, this study identifies GmhB as a conserved Gram-negative bacteremia fitness factor that acts through LPS-mediated mechanisms to enhance bloodstream survival. IMPORTANCE Klebsiella pneumoniae frequently causes healthcare-associated infections including pneumonia and bacteremia. This is particularly concerning due to emerging antimicrobial resistance and the propensity for bacteremia to initiate sepsis, which has high mortality and is the most expensive hospital-treated condition. Defining mechanisms of bloodstream survival is critical to understanding the pathology of bacteremia and identifying novel targets for future therapies. In this study, we identified the K. pneumoniae enzyme GmhB as a bloodstream-specific fitness factor that enables the bacteria to survive in the spleen but is dispensable in the lung. Furthermore, GmhB is also needed by the related bacterial pathogens Escherichia coli and Citrobacter freundii to cause bacteremia. Conserved bacteremia fitness factors such a GmhB could be the basis for future therapeutics that would alleviate significant disease caused by from multiple diverse pathogens.

Abstract Postdoctoral training enables research independence and professional readiness. National reports have emphasized professional development as a critical component of this training period. In response, many institutions are establishing transferable skills training workshops for postdocs; however, the lack of structured programs and an absence of methods to assess outcomes beyond participant satisfaction surveys are critical gaps in postdoctoral training. To address these shortcomings, we took the approach of structured programming and developed a method for controlled assessment of outcomes. Our program You 3 (You, Your Team, Your Project), co-designed by postdoctoral fellows, focused on a structured array of management and leadership skills agnostic of ultimate career path(s). We then measured outcomes in a controlled manner, by systematically comparing perceived knowledge and growth of participants with non-participants as the control group. You 3 participants discern greater growth, independent of number of years in training, in competencies overall compared to the control group. This growth was shown by multiple criteria including self-reporting and associative analysis. Correspondingly, You 3 participants reported greater knowledge in 75% of the modules when compared to controls. These data indicate that structured learning, where postdocs commit to a curriculum via a cohort-structure, leads to positive outcomes and provides a framework for programs to assess outcomes in a rigorous manner.

ABSTRACT The primary risk factor for infection with members of the Klebsiella pneumoniae species complex is prior gut colonization, and infection is often caused by the colonizing strain. Despite the importance of the gut as a reservoir for infectious K. pneumoniae , little is known about the association between the gut microbiome and infection. To explore this relationship, we undertook a case-control study comparing the gut community structure of K. pneumoniae -colonized intensive care and hematology/oncology patients. Cases were K. pneumoniae -colonized patients infected by their colonizing strain ( N = 83). Controls were K. pneumoniae -colonized patients who remained asymptomatic ( N = 149). First, we characterized the gut community structure of K. pneumoniae -colonized patients agnostic to case status. Next, we determined that gut community data is useful for classifying cases and controls using machine learning models and that the gut community structure differed between cases and controls. K. pneumoniae relative abundance, a known risk factor for infection, had the greatest feature importance, but other gut microbes were also informative. Finally, we show that integration of gut community structure with bacterial genotype data enhanced the ability of machine learning models to discriminate cases and controls. Interestingly, inclusion of patient clinical variables failed to improve the ability of machine learning models to discriminate cases and controls. This study demonstrates that including gut community data with K. pneumoniae -derived biomarkers improves our ability to classify infection in K. pneumoniae -colonized patients. IMPORTANCE Colonization is generally the first step in pathogenesis for bacteria with pathogenic potential. This step provides a unique window for intervention since a given potential pathogen has yet to cause damage to its host. Moreover, intervention during the colonization stage may help alleviate the burden of therapy failure as antimicrobial resistance rises. Yet, to understand the therapeutic potential of interventions that target colonization, we must first understand the biology of colonization and if biomarkers at the colonization stage can be used to stratify infection risk. The bacterial genus Klebsiella includes many species with varying degrees of pathogenic potential. Members of the K. pneumoniae species complex have the highest pathogenic potential. Patients colonized in their gut by these bacteria are at higher risk of subsequent infection with their colonizing strain. However, we do not understand if other members of the gut microbiota can be used as a biomarker to predict infection risk. In this study, we show that the gut microbiota differs between colonized patients who develop an infection versus those who do not. Additionally, we show that integrating gut microbiota data with bacterial factors improves the ability to classify infections. Surprisingly, patient clinical factors were not useful for classifying infections alone or when added to microbiota-based models. This indicates that the bacterial genotype and the microbial community in which it exists may determine the progression to infection. As we continue to explore colonization as an intervention point to prevent infections in individuals colonized by potential pathogens, we must develop effective means for predicting and stratifying infection risk.

Abstract Hypervirulent K. pneumoniae (hvKp) is a distinct pathotype that causes invasive community-acquired infections in healthy individuals. Hypermucoviscosity (hmv) is a major phenotype associated with hvKp characterized by copious capsule production and poor sedimentation. Dissecting the individual functions of CPS production and hmv in hvKp has been stymied by the conflation of these two properties. Although hmv requires capsular polysaccharide (CPS) biosynthesis, other cellular factors may also be required and some fitness phenotypes ascribed to CPS may be distinctly attributed to hmv. To address this challenge, we systematically identified genes that impact capsule and hmv. We generated a condensed, ordered transposon library in hypervirulent strain KPPR1, then evaluated the CPS production and hmv phenotypes of the 3,733 transposon mutants, representing 72% of all open reading frames in the genome. We employed forward and reverse genetic screens to evaluate effects of novel and known genes on CPS biosynthesis and hmv. These screens expand our understanding of core genes that coordinate CPS biosynthesis and hmv, as well as identify central metabolism genes that distinctly impact CPS biosynthesis or hmv, specifically those related to purine metabolism, pyruvate metabolism and the TCA cycle. Six representative mutants, with varying levels of CPS production and hmv, were all significantly out-competed by wildtype in a murine model of disseminating pneumonia. This suggests that an optimal balance between cellular energetics, CPS biosynthesis and hmv are required for maximal fitness. Altogether, these data demonstrate that hmv requires both CPS biosynthesis and other cellular factors, and that these processes are integrated into the metabolic status of the cell. Therefore, hvKp may require certain nutrients to fully elaborate its virulence-associated properties to specifically cause deep tissue infections. Author summary Klebsiella pneumoniae is a common multi-drug resistant hospital-associated pathogen, however some isolates are capable of causing community-acquired infections in otherwise healthy individuals. The strains causing community-acquired infections have some distinguishing characteristics, which include overproduction of capsule and hypermucoviscosity. Hypermucoviscous strains are very tacky and sediment poorly when centrifuged. Historically, hypermucoviscosity has been attributed to overproduction of capsular polysaccharide, but recent data suggest that other factors contribute to this bacterial phenotype. Moreover, it seems that capsule and hypermucoviscosity may have distinct roles in pathogenesis. In this study, we sought to systematically investigate the genes that contribute to capsule and hypermucoviscosity. We found that in most cases, genes coordinately impact both capsule biosynthesis and hypermucoviscosity. Some metabolic genes linked to the TCA cycle, however, only affect one of these properties. Here, we identify that capsule biosynthesis and hypermucoviscosity are tightly tied to central metabolism and that an optimal balance between metabolism, capsule, and hypermucoviscosity are important for in vivo fitness of K. pneumoniae . These results identify genes that can be further probed to dissect how capsule and hypermucoviscosity are coordinated in response to niche-specific nutrients. Such studies will expand our understanding of the factors that drive the pathobiology of hypervirulent K. pneumoniae .

Abstract Interpreting phenotypes of bla SHV alleles in Klebsiella pneumoniae genomes is complex. While all strains are expected to carry a chromosomal copy conferring resistance to ampicillin, they may also carry mutations in chromosomal bla SHV alleles or additional plasmid-borne bla SHV alleles that have extended-spectrum β-lactamase (ESBL) activity and/or β-lactamase inhibitor (BLI) resistance activity. In addition, the role of individual mutations/amino acid changes is not completely documented or understood. This has led to confusion in the literature and in antimicrobial resistance (AMR) gene databases (e.g., NCBI’s Reference Gene Catalog and the β-lactamase database (BLDB)) over the specific functionality of individual SHV protein variants. Therefore, identification of ESBL-producing strains from K. pneumoniae genome data is complicated. Here, we reviewed the experimental evidence for the expansion of SHV enzyme function associated with specific amino-acid substitutions. We then systematically assigned SHV alleles to functional classes (wildtype, ESBL, BLI-resistant) based on the presence of these mutations. This resulted in the re-classification of 37 SHV alleles compared with current assignments in NCBI’s Reference Gene Catalog and/or BLDB (21 to wildtype, 12 to ESBL, 4 to BLI-resistant). Phylogenetic and comparative genomic analyses support that; i) SHV-1 (encoded by bla SHV-1 ) is the ancestral chromosomal variant; ii) ESBL and BLI-resistant variants have evolved multiple times through parallel substitution mutations; iii) ESBL variants are mostly mobilised to plasmids; iv) BLI-resistant variants mostly result from mutations in chromosomal bla SHV . We used matched genome-phenotype data from the KlebNET-GSP Genotype-Phenotype Group to identify 3,999 K. pneumoniae isolates carrying one or more bla SHV alleles but no other acquired β-lactamases, with which we assessed genotype-phenotype relationships for bla SHV . This collection includes human, animal, and environmental isolates collected between 2001 to 2021 from 24 countries across six continents. Our analysis supports that mutations at Ambler sites 238 and 179 confer ESBL activity, while most omega-loop substitutions do not. Our data also provide direct support for wildtype assignment of 67 protein variants, including eight that were noted in public databases as ESBL. We reclassified these eight variants as wildtype, because they lack ESBL-associated mutations, and our phenotype data support susceptibility to 3GCs (SHV-27, SHV-38, SHV-40, SHV-41, SHV-42, SHV-65, SHV-164, SHV-187). The approach and results outlined here have been implemented in Kleborate v2.4.1 (a software tool for genotyping K. pneumoniae from genome assemblies), whereby known and novel bla SHV alleles are classified based on causative mutations. Kleborate v2.4.1 was also updated to include ten novel protein variants from the KlebNET-GSP dataset and all alleles in public databases as of November 2023. This study demonstrates the power of sharing AMR phenotypes alongside genome data to improve understanding of resistance mechanisms. Impact statement Since every K. pneumoniae genome has an intrinsic SHV β-lactamase and may also carry additional mobile forms, the correct interpretation of bla SHV genes detected in genome data can be challenging and can lead to K. pneumoniae being misclassified as ESBL-producing. Here, we use matched K. pneumoniae genome and drug susceptibility data contributed from dozens of studies, together with systematic literature review of experimental evidence, to improve our understanding of bla SHV allele variation and mapping of genotype to phenotype. This study shows the value of coordinated data sharing, in this case via the KlebNET-GSP Genotype-Phenotype Group, to improve our understanding of the evolutionary history and functionality of bla SHV genes. The results are captured in an open-source AMR dictionary utilised by the Kleborate genotyping tool, that could easily be incorporated into or used to update other tools and AMR gene databases. This work is part of the wider efforts of the KlebNET-GSP group to develop and support a unified platform tailored for the analysis and interpretation of K. pneumoniae genomes by a wide range of stakeholders. Data summary Bla SHV allele sequences and class assignments are distributed with Kleborate, v2.4.1, DOI:10.5281/zenodo.10469001. Table S1 provides a summary of bla SHV alleles, including primary accessions, class-modifying mutations, and supporting evidence for class assignments that differ from NCBI’s Reference Gene Catalog or BLDB. Whole genome sequence data are publicly available as reads and/or assemblies, individual accessions are given in Table S2 ; corresponding genotypes and antibiotic susceptibility phenotypes and measurements are available in Tables S3 and S4 , respectively.

Klebsiella pneumoniae (Kp), one of the most common causes of healthcare-associated infections, increases patient morbidity, mortality and hospitalization costs. Kp must acquire nutrients from the host for successful infection. However, the host is able to prevent bacterial nutrient acquisition through multiple systems, including the innate immune protein lipocalin 2 (Lcn2) that prevents Kp iron acquisition by sequestering the siderophore enterobactin. To identify novel Kp factors that mediate evasion of nutritional immunity during lung infection, we undertook an InSeq study using a pool of >20,000 transposon mutants administered to Lcn2+/+ and Lcn2-/- mice. Comparing mutant frequencies between mouse genotypes, this genome-wide screen identified the Kp citrate synthase GltA as potentially interacting with Lcn2, and this novel finding was independently validated. Interestingly, in vitro studies suggest that this interaction is not direct. Given that GltA is involved in oxidative metabolism, we screened the ability of this mutant to use a variety of carbon and nitrogen sources. The results indicated that the gltA mutant has a distinct amino acid auxotrophy and is unable to use a variety of carbon sources. Specifically, we show that gltA is necessary for growth in bronchioloalveolar lavage fluid, which is amino acid-limited, but dispensable in serum, which is amino acid rich. Deletion of Lcn2 from the host leads to increased amino acid levels in bronchioloalveolar lavage fluid, and thus abrogates the loss of gltA during pneumonia in the Lcn2-/- background. GltA was also required for gut colonization, but dispensable in the bloodstream in a bacteremia model, demonstrating that deletion of gltA leads to an organ-specific fitness defect. Together, this study is the first to mechanistically describe a role for gltA in Kp infection and provide unique insight into how metabolic flexibility impacts bacterial fitness during infection.

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 Klebsiella pneumoniae is an opportunistic pathogen and an important cause of pneumonia, bacteremia, and urinary tract infection. K. pneumoniae infections are historically associated with diabetes mellitus. There is a fundamental gap in our understanding of how diabetes mellitus, specifically type 2 diabetes, influences K. pneumoniae pathogenesis. K. pneumoniae pathogenesis is a multifactorial process that often begins with gut colonization, followed by an escape from the gut to peripheral sites, leading to host damage and infection. We hypothesized that type 2 diabetes enhances K. pneumoniae pathogenesis. To test this, we used well-established mouse models of K. pneumoniae colonization and lung infection in conjunction with a mouse model of spontaneous type 2 diabetes mellitus (T2DM). We show that T2DM enhances susceptibility to both K. pneumoniae colonization and infection. The enhancement of gut colonization is dependent on T2DM-induced modulation of the gut microbiota community structure. In contrast, lung infection is exacerbated by the increased availability of amino acids in the lung, which is associated with higher levels of vascular endothelial growth factor. These data lay the foundation for mechanistic interrogation of the relationship between K. pneumoniae pathogenesis and type 2 diabetes mellitus, and explicitly establish T2DM as a risk factor for K. pneumoniae disease.

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.