Summary Despite over a century of research, tuberculosis remains a leading cause of infectious death worldwide. Faced with increasing rates of drug resistance, the identification of genes that are required for the growth of this organism should provide new targets for the design of antimycobacterial agents. Here, we describe the use of transposon site hybridization (TraSH) to comprehensively identify the genes required by the causative agent, Mycobacterium tuberculosis , for optimal growth. These genes include those that can be assigned to essential pathways as well as many of unknown function. The genes important for the growth of M. tuberculosis are largely conserved in the degenerate genome of the leprosy bacillus, Mycobacterium leprae , indicating that non‐essential functions have been selectively lost since this bacterium diverged from other mycobacteria. In contrast, a surprisingly high proportion of these genes lack identifiable orthologues in other bacteria, suggesting that the minimal gene set required for survival varies greatly between organisms with different evolutionary histories.

Despite the importance of tuberculosis as a public health problem, we know relatively little about the molecular mechanisms used by the causative organism, Mycobacterium tuberculosis, to persist in the host. To define these mechanisms, we have mutated virtually every nonessential gene of M. tuberculosis and determined the effect disrupting each gene on the growth rate of this pathogen during infection. A total of 194 genes that are specifically required for mycobacterial growth in vivo were identified. The behavior of these mutants provides a detailed view of the changing environment that the bacterium encounters as infection proceeds. A surprisingly large fraction of these genes are unique to mycobacteria and closely related species, indicating that many of the strategies used by this unusual group of organisms are fundamentally different from other pathogens

The pathways that comprise cellular metabolism are highly interconnected, and alterations in individual enzymes can have far-reaching effects. As a result, global profiling methods that measure gene expression are of limited value in predicting how the loss of an individual function will affect the cell. In this work, we employed a new method of global phenotypic profiling to directly define the genes required for the growth of Mycobacterium tuberculosis. A combination of high-density mutagenesis and deep-sequencing was used to characterize the composition of complex mutant libraries exposed to different conditions. This allowed the unambiguous identification of the genes that are essential for Mtb to grow in vitro, and proved to be a significant improvement over previous approaches. To further explore functions that are required for persistence in the host, we defined the pathways necessary for the utilization of cholesterol, a critical carbon source during infection. Few of the genes we identified had previously been implicated in this adaptation by transcriptional profiling, and only a fraction were encoded in the chromosomal region known to encode sterol catabolic functions. These genes comprise an unexpectedly large percentage of those previously shown to be required for bacterial growth in mouse tissue. Thus, this single nutritional change accounts for a significant fraction of the adaption to the host. This work provides the most comprehensive genetic characterization of a sterol catabolic pathway to date, suggests putative roles for uncharacterized virulence genes, and precisely maps genes encoding potential drug targets.

A hallmark of tuberculosis is the ability of the causative agent, Mycobacterium tuberculosis , to persist for decades despite a vigorous host immune response. Previously, we identified a mycobacterial gene cluster, mce4 , that was specifically required for bacterial survival during this prolonged infection. We now show that mce4 encodes a cholesterol import system that enables M. tuberculosis to derive both carbon and energy from this ubiquitous component of host membranes. Cholesterol import is not required for establishing infection in mice or for growth in resting macrophages. However, this function is essential for persistence in the lungs of chronically infected animals and for growth within the IFN-γ-activated macrophages that predominate at this stage of infection. This finding indicates that a major effect of IFN-γ stimulation may be to sequester potential pathogens in a compartment devoid of more commonly used nutrients. The unusual capacity to catabolize sterols allows M. tuberculosis to circumvent this defense and thereby sustain a persistent infection.

An increasing number of microbial genomes have been completely sequenced, and the identified genes are categorized based on their homology to genes of known function. However, the function of a large number of genes cannot be determined on this basis alone. Here, we describe a technique, transposon site hybridization (TraSH), which allows rapid functional characterization by identifying the complete set of genes required for growth under different conditions. TraSH combines high-density insertional mutagenesis with microarray mapping of pools of mutants. We have made large pools of independent transposon mutants in mycobacteria by using a mariner- based transposon and efficient phage transduction. By using TraSH, we have defined the set of genes required for growth of Mycobacterium bovis bacillus Calmette–Guérin on minimal but not rich medium. Genes of both known and unknown functions were identified. Of the genes with known functions, nearly all were involved in amino acid biosynthesis. TraSH is a powerful method for categorizing gene function that should be applicable to a variety of microorganisms.

ABSTRACT For decades, identifying the regions of a bacterial chromosome that are necessary for viability has relied on mapping integration sites in libraries of random transposon mutants to find loci that are unable to sustain insertion. To date, these studies have analyzed subsaturated libraries, necessitating the application of statistical methods to estimate the likelihood that a gap in transposon coverage is the result of biological selection and not the stochasticity of insertion. As a result, the essentiality of many genomic features, particularly small ones, could not be reliably assessed. We sought to overcome this limitation by creating a completely saturated transposon library in Mycobacterium tuberculosis . In assessing the composition of this highly saturated library by deep sequencing, we discovered that a previously unknown sequence bias of the Himar1 element rendered approximately 9% of potential TA dinucleotide insertion sites less permissible for insertion. We used a hidden Markov model of essentiality that accounted for this unanticipated bias, allowing us to confidently evaluate the essentiality of features that contained as few as 2 TA sites, including open reading frames (ORF), experimentally identified noncoding RNAs, methylation sites, and promoters. In addition, several essential regions that did not correspond to known features were identified, suggesting uncharacterized functions that are necessary for growth. This work provides an authoritative catalog of essential regions of the M. tuberculosis genome and a statistical framework for applying saturating mutagenesis to other bacteria. IMPORTANCE Sequencing of transposon-insertion mutant libraries has become a widely used tool for probing the functions of genes under various conditions. The Himar1 transposon is generally believed to insert with equal probabilities at all TA dinucleotides, and therefore its absence in a mutant library is taken to indicate biological selection against the corresponding mutant. Through sequencing of a saturated Himar1 library, we found evidence that TA dinucleotides are not equally permissive for insertion. The insertion bias was observed in multiple prokaryotes and influences the statistical interpretation of transposon insertion (TnSeq) data and characterization of essential genomic regions. Using these insights, we analyzed a fully saturated TnSeq library for M. tuberculosis , enabling us to generate a comprehensive catalog of in vitro essentiality, including ORFs smaller than those found in any previous study, small (noncoding) RNAs (sRNAs), promoters, and other genomic features.

Chronic infections can result in harmful production of the proinflammatory cytokine IL-1 generated via the NLRP3 inflammasome. Sassetti et al. demonstrate that IL-1 activated by Mycobacteria results in nitrosylation and consequent regulation of the NLRP3 inflammasome. Interleukin 1 (IL-1) is an important mediator of innate immunity but can also promote inflammatory tissue damage. During chronic infections such as tuberculosis, the beneficial antimicrobial role of IL-1 must be balanced with the need to prevent immunopathology. By exogenously controlling the replication of Mycobacterium tuberculosis in vivo, we obviated the requirement for antimicrobial immunity and discovered that both IL-1 production and infection-induced immunopathology were suppressed by lymphocyte-derived interferon-γ (IFN-γ). This effect was mediated by nitric oxide (NO), which we found specifically inhibited assembly of the NLRP3 inflammasome via thiol nitrosylation. Our data indicate that the NO produced as a result of adaptive immunity is indispensable in modulating the destructive innate inflammatory responses elicited during persistent infections.

The development of new drug regimens that allow rapid, sterilizing treatment of tuberculosis has been limited by the complexity and time required for genetic manipulations in Mycobacterium tuberculosis. CRISPR interference (CRISPRi) promises to be a robust, easily engineered and scalable platform for regulated gene silencing. However, in M. tuberculosis, the existing Streptococcus pyogenes Cas9-based CRISPRi system is of limited utility because of relatively poor knockdown efficiency and proteotoxicity. To address these limitations, we screened eleven diverse Cas9 orthologues and identified four that are broadly functional for targeted gene knockdown in mycobacteria. The most efficacious of these proteins, the CRISPR1 Cas9 from Streptococcus thermophilus (dCas9Sth1), typically achieves 20- to 100-fold knockdown of endogenous gene expression with minimal proteotoxicity. In contrast to other CRISPRi systems, dCas9Sth1-mediated gene knockdown is robust when targeted far from the transcriptional start site, thereby allowing high-resolution dissection of gene function in the context of bacterial operons. We demonstrate the utility of this system by addressing persistent controversies regarding drug synergies in the mycobacterial folate biosynthesis pathway. We anticipate that the dCas9Sth1 CRISPRi system will have broad utility for functional genomics, genetic interaction mapping and drug-target profiling in M. tuberculosis. Screening Cas9 orthologues to improve CRISPR interference in mycobacteria identified four that are broadly functional for targeted gene knockdown, one of which (dCas9Sth1) achieves a 20–100-fold knockdown of endogenous gene expression with minimal proteotoxicity.

The ESX-1 locus is a region critical for full virulence in Mycobacterium tuberculosis , which encodes two secreted proteins as well as other genes involved in their secretion. The mechanism of secretion of the two proteins, ESAT-6 and CFP-10, and their function remain unknown. Using proteomic methods to search for additional proteins secreted by the ESX-1 locus, we discovered that a protein encoded by a chromosomally unlinked gene, espA , is also secreted by strains that contain the ESX-1 locus but not by strains with ESX-1 deletions. Mutations in individual ESX-1 genes, including those that encode ESAT-6 and CFP-10, were found to block EspA secretion. Surprisingly, mutants that lack espA reciprocally failed to secrete ESAT-6 and CFP-10 and were as attenuated as ESX-1 mutants in virulence assays. The results indicate that secretion of these proteins, which are each critical for virulence of pathogenic mycobacteria, is mutually dependent. The results further suggest that discerning the nature of the interaction and the structure of macromolecular complexes will provide insights into both an alternative mechanism of protein secretion and mycobacterial virulence.

Treatment of chronic bacterial infections, such as tuberculosis (TB), requires a remarkably long course of therapy, despite the availability of drugs that are rapidly bacteriocidal in vitro. This observation has long been attributed to the presence of bacterial populations in the host that are "drug-tolerant" because of their slow replication and low rate of metabolism. However, both the physiologic state of these hypothetical drug-tolerant populations and the bacterial pathways that regulate growth and metabolism in vivo remain obscure. Here we demonstrate that diverse growth-limiting stresses trigger a common signal transduction pathway in Mycobacterium tuberculosis that leads to the induction of triglyceride synthesis. This pathway plays a causal role in reducing growth and antibiotic efficacy by redirecting cellular carbon fluxes away from the tricarboxylic acid cycle. Mutants in which this metabolic switch is disrupted are unable to arrest their growth in response to stress and remain sensitive to antibiotics during infection. Thus, this regulatory pathway contributes to antibiotic tolerance in vivo, and its modulation may represent a novel strategy for accelerating TB treatment.