Methicillin‐resistant Staphylococcus aureus (MRSA) remains a major problem in hospitals, and it is now spreading in the community. A single toxin, Panton‐Valentine leukocidin (PVL), has been linked by epidemiological studies to community‐associated MRSA (CA‐MRSA) disease. However, the role that PVL plays in the pathogenesis of CA‐MRSA has not been tested directly. To that end, we used mouse infection models to compare the virulence of PVL‐positive with that of PVL‐negative CA‐MRSA representing the leading disease‐causing strains. Unexpectedly, strains lacking PVL were as virulent in mouse sepsis and abscess models as those containing the leukotoxin. Isogenic PVL‐negative (lukS/F‐PV knockout) strains of USA300 and USA400 were as lethal as wild‐type strains in a sepsis model, and they caused comparable skin disease. Moreover, lysis of human neutrophils and pathogen survival after phagocytosis were similar between wild‐type and mutant strains. Although the toxin may be a highly linked epidemiological marker for CA‐MRSA strains, we conclude that PVL is not the major virulence determinant of CA‐MRSA.

Emerging and re-emerging infectious diseases, especially those caused by drug-resistant bacteria, are a major problem worldwide. Community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (CA-MRSA) appeared rapidly and unexpectedly in the United States, resulting in an epidemic caused primarily by isolates classified as USA300. The evolutionary and molecular underpinnings of this epidemic are poorly understood. Specifically, it is unclear whether there has been clonal emergence of USA300 isolates or evolutionary convergence toward a hypervirulent phenotype resulting in the independent appearance of similar organisms. To definitively resolve this issue and understand the phylogeny of USA300 isolates, we used comparative whole-genome sequencing to analyze 10 USA300 patient isolates from eight states in diverse geographic regions of the United States and multiple types of human infection. Eight of 10 isolates analyzed had very few single nucleotide polymorphisms (SNPs) and thus were closely related, indicating recent diversification rather than convergence. Unexpectedly, 2 of the clonal isolates had significantly reduced mortality in a mouse sepsis model compared with the reference isolate ( P = 0.0002), providing strong support to the idea that minimal genetic change in the bacterial genome can have profound effects on virulence. Taken together, our results demonstrate that there has been recent clonal expansion and diversification of a subset of isolates classified as USA300. The findings add an evolutionary dimension to the epidemiology and emergence of USA300 and suggest a similar mechanism for the pandemic occurrence and spread of penicillin-resistant S. aureus (known as phage-type 80/81 S. aureus ) in the 1950s.

Tigecycline is one of the last-resort antibiotics to treat complicated infections caused by both multidrug-resistant Gram-negative and Gram-positive bacteria1. Tigecycline resistance has sporadically occurred in recent years, primarily due to chromosome-encoding mechanisms, such as overexpression of efflux pumps and ribosome protection2,3. Here, we report the emergence of the plasmid-mediated mobile tigecycline resistance mechanism Tet(X4) in Escherichia coli isolates from China, which is capable of degrading all tetracyclines, including tigecycline and the US FDA newly approved eravacycline. The tet(X4)-harbouring IncQ1 plasmid is highly transferable, and can be successfully mobilized and stabilized in recipient clinical and laboratory strains of Enterobacteriaceae bacteria. It is noteworthy that tet(X4)-positive E. coli strains, including isolates co-harbouring mcr-1, have been widely detected in pigs, chickens, soil and dust samples in China. In vivo murine models demonstrated that the presence of Tet(X4) led to tigecycline treatment failure. Consequently, the emergence of plasmid-mediated Tet(X4) challenges the clinical efficacy of the entire family of tetracycline antibiotics. Importantly, our study raises concern that the plasmid-mediated tigecycline resistance may further spread into various ecological niches and into clinical high-risk pathogens. Collective efforts are in urgent need to preserve the potency of these essential antibiotics. Plasmid-encoded tet(X) genes from Escherichia coli in China confer high-level tigecycline resistance.

Significance Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae has emerged globally as a multidrug-resistant hospital pathogen for which there are few treatment options. Clinical isolates classified by multilocus sequence typing (ST) as ST258 are the most widespread. The basis for the success of ST258 organisms above and beyond antibiotic resistance is not known, nor is it clear whether infections are caused by a single clone. We used genome sequencing to reveal unexpected genetic diversity among ST258 organisms (thus disproving the single-clone hypothesis) and identified a recombination hotspot that accounts for the majority of divergence—and presumably for serologic variation—among ST258 clinical isolates. Our findings will facilitate the development of new clinical strategies designed to prevent or treat infections caused by multidrug-resistant K. pneumoniae .

Drug-resistant tuberculosis threatens recent gains in the treatment of tuberculosis and human immunodeficiency virus (HIV) infection worldwide. A widespread epidemic of extensively drug-resistant (XDR) tuberculosis is occurring in South Africa, where cases have increased substantially since 2002. The factors driving this rapid increase have not been fully elucidated, but such knowledge is needed to guide public health interventions.

Although the New York/New Jersey (NY/NJ) area is an epicenter for carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE), there are few multicenter studies of CRE from this region. We characterized patients with CRE bacteremia in 2013 at eight NY/NJ medical centers and determined the prevalence of carbapenem resistance among Enterobacteriaceae bloodstream isolates and CRE resistance mechanisms, genetic backgrounds, capsular types (cps), and antimicrobial susceptibilities. Of 121 patients with CRE bacteremia, 50% had cancer or had undergone transplantation. The prevalences of carbapenem resistance among Klebsiella pneumoniae, Enterobacter spp., and Escherichia coli bacteremias were 9.7%, 2.2%, and 0.1%, respectively. Ninety percent of CRE were K. pneumoniae and 92% produced K. pneumoniae carbapenemase (KPC-3, 48%; KPC-2, 44%). Two CRE produced NDM-1 and OXA-48 carbapenemases. Sequence type 258 (ST258) predominated among KPC-producing K. pneumoniae (KPC-Kp). The wzi154 allele, corresponding to cps-2, was present in 93% of KPC-3-Kp, whereas KPC-2-Kp had greater cps diversity. Ninety-nine percent of CRE were ceftazidime-avibactam (CAZ-AVI)-susceptible, although 42% of KPC-3-Kp had an CAZ-AVI MIC of ≥4/4 μg/ml. There was a median of 47 h from bacteremia onset until active antimicrobial therapy, 38% of patients had septic shock, and 49% died within 30 days. KPC-3-Kp bacteremia (adjusted odds ratio [aOR], 2.58; P = 0.045), cancer (aOR, 3.61, P = 0.01), and bacteremia onset in the intensive care unit (aOR, 3.79; P = 0.03) were independently associated with mortality. Active empirical therapy and combination therapy were not associated with survival. Despite a decade of experience with CRE, patients with CRE bacteremia have protracted delays in appropriate therapies and high mortality rates, highlighting the need for rapid diagnostics and evaluation of new therapeutics.

ABSTRACT Colistin is increasingly used as an antibiotic of last resort for the treatment of carbapenem-resistant Gram-negative infections. The plasmid-borne colistin resistance gene mcr-1 was initially identified in animal and clinical samples from China and subsequently reported worldwide, including in the United States. Of particular concern is the spread of mcr-1 into carbapenem-resistant bacteria, thereby creating strains that approach pan-resistance. While several reports of mcr-1 have involved carbapenem-resistant strains, no such isolates have been described in the United States. Here, we report the isolation and identification of an Escherichia coli strain harboring both mcr-1 and carbapenemase gene bla NDM-5 from a urine sample in a patient without recent travel outside the United States. The isolate exhibited resistance to both colistin and carbapenems, but was susceptible to amikacin, aztreonam, gentamicin, nitrofurantoin, tigecycline, and trimethoprim-sulfamethoxazole. The mcr-1 - and bla NDM-5 -harboring plasmids were completely sequenced and shown to be highly similar to plasmids previously reported from China. The strain in this report was first isolated in August 2014, highlighting an earlier presence of mcr-1 within the United States than previously recognized. IMPORTANCE Colistin has become the last line of defense for the treatment of infections caused by Gram-negative bacteria resistant to multiple classes of antibiotics, in particular carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE). Resistance to colistin, encoded by the plasmid-borne gene mcr-1 , was first identified in animal and clinical samples from China in November 2015 and has subsequently been reported from numerous other countries. In April 2016, mcr-1 was identified in a carbapenem-susceptible Escherichia coli strain from a clinical sample in the United States, followed by a second report from a carbapenem-susceptible E. coli strain originally isolated in May 2015. We report the isolation and identification of an E. coli strain harboring both colistin ( mcr-1 ) and carbapenem ( bla NDM-5 ) resistance genes, originally isolated in August 2014 from urine of a patient with recurrent urinary tract infections. To our knowledge, this is the first report in the United States of a clinical bacterial isolate with both colistin and carbapenem resistance, highlighting the importance of active surveillance efforts for colistin- and carbapenem-resistant organisms.

ABSTRACT Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE), especially Klebsiella pneumoniae carbapenemase (KPC)-producing K. pneumoniae , pose an urgent threat in health facilities in the United States and worldwide. K. pneumoniae isolates classified as sequence type 258 (ST258) by multilocus sequence typing are largely responsible for the global spread of KPC. A recent comparative genome study revealed that ST258 K. pneumoniae strains are two distinct genetic clades; however, the molecular origin of ST258 largely remains unknown, and our understanding of the evolution of the two genetic clades is incomplete. Here we compared the genetic structures and single-nucleotide polymorphism (SNP) distributions in the core genomes of strains from two ST258 clades and other STs (ST11, ST442, and ST42). We identified an ~1.1-Mbp region on ST258 genomes that is homogeneous to that of ST442, while the rest of the ST258 genome resembles that of ST11. Our results suggest ST258 is a hybrid clone—80% of the genome originated from ST11-like strains and 20% from ST442-like strains. Meanwhile, we sequenced an ST42 strain that carries the same K-antigen-encoding capsule polysaccharide biosynthesis gene ( cps ) region as ST258 clade I strains. Comparison of the cps -harboring regions between the ST42 and ST258 strains (clades I and II) suggests the ST258 clade I strains evolved from a clade II strain as a result of cps region replacement. Our findings unravel the molecular evolution history of ST258 strains, an important first step toward the development of diagnostic, therapeutic, and vaccine strategies to combat infections caused by multidrug-resistant K. pneumoniae . IMPORTANCE Recombination events and replacement of chromosomal regions have been documented in various bacteria, and these events have given rise to successful pathogenic clones. Here we used comparative genomic analyses to discover that the ST258 K. pneumoniae genome is a hybrid—80% of the chromosome is homologous to ST11 strains, while the remaining 20% is homologous to that of ST442. Meanwhile, a recent study indicated that ST258 strains can be segregated into two ST258 clades, with distinct capsule polysaccharide gene ( cps ) regions. Our analysis suggests ST258 clade I strains evolved from clade II through homologous recombination of cps region. Horizontal transfer of the cps region appears to be a key element driving the molecular diversification in K. pneumoniae strains. These findings not only extend our understanding of the molecular evolution of ST258 but are an important step toward the development of effective control and treatment strategies for multidrug-resistant K. pneumoniae.

Several human-adapted Mycobacterium tuberculosis complex (Mtbc) lineages exhibit a restricted geographical distribution globally. These lineages are hypothesized to transmit more effectively among sympatric hosts, that is, those that share the same geographical area, though this is yet to be confirmed while controlling for exposure, social networks and disease risk after exposure. Using pathogen genomic and contact tracing data from 2,279 tuberculosis cases linked to 12,749 contacts from three low-incidence cities, we show that geographically restricted Mtbc lineages were less transmissible than lineages that have a widespread global distribution. Allopatric host–pathogen exposure, in which the restricted pathogen and host are from non-overlapping areas, had a 38% decrease in the odds of infection among contacts compared with sympatric exposures. We measure tenfold lower uptake of geographically restricted lineage 6 strains compared with widespread lineage 4 strains in allopatric macrophage infections. We conclude that Mtbc strain–human long-term coexistence has resulted in differential transmissibility of Mtbc lineages and that this differs by human population. Epidemiological analysis of Mycobacterium tuberculosis genomes and public health data show that lineage-specific variation in transmission varies with the degree of host and pathogen geographical coincidence and reveals signals of a biological effect of host–pathogen coexistence.

Abstract Most microbes have the capacity to acquire genetic material from their environment. Recombination of foreign DNA yields genomes that are, at least in part, incongruent with the vertical history of their species. Dominant approaches for detecting these transfers are phylogenetic, requiring a painstaking series of analyses including alignment and phylogenetic tree reconstruction. These traditional pan-genomic methods do not scale. Here we propose an unsupervised, alignment-free and tree-free technique based on the sequential information bottleneck (SIB), an optimization procedure designed to extract some portion of relevant information from one random variable conditioned on another. In our case, this joint probability distribution tabulates occurrence counts of k-mers against their genomes of origin with the expectation that recombination will create a strong signal that unifies certain sets of co-occuring k-mers. We conceptualize the technique as a rate-distortion problem, measuring distortion in the relevance information as k-mers are compressed into clusters based on their co-occurrence in the source genomes. The result is fast, model-free, lossy compression of k-mers into groups that learns tracts of shared genome sequence differentiating recombined elements from the vertically inherited core. We show that the technique yields a new recombination measure based purely on information, divorced from any biases and limitations inherent to alignment and phylogeny. Significance The information bottleneck, a lossy compression technique borrowed from the information theoretic and Natural Langauge Processing literature, is well suited to detecting evolutionary patterns in sets of co-occuring k-mers. Here we show that we can detect simulated and real recombination events while highlighting a core set of k-mers that comprise the vertically inherited portion of any set of genomes. Moreover, the compressibility of any given set of genomes offers a new way to compare the pangenomes of clades across the microbial tree of life. In our application, the bottleneck is informed by genome origin, our relevance variable, but the technique is general. The information bottleneck can be used for any biological contingency matrix where the goal is to learn groups from unstructured data.