Antibacterial agents target the products of essential genes but rarely achieve complete target inhibition. Thus, the all-or-none definition of essentiality afforded by traditional genetic approaches fails to discern the most attractive bacterial targets: those whose incomplete inhibition results in major fitness costs. In contrast, gene "vulnerability" is a continuous, quantifiable trait that relates the magnitude of gene inhibition to the effect on bacterial fitness. We developed a CRISPR interference-based functional genomics method to systematically titrate gene expression in Mycobacterium tuberculosis (Mtb) and monitor fitness outcomes. We identified highly vulnerable genes in various processes, including novel targets unexplored for drug discovery. Equally important, we identified invulnerable essential genes, potentially explaining failed drug discovery efforts. Comparison of vulnerability between the reference and a hypervirulent Mtb isolate revealed incomplete conservation of vulnerability and that differential vulnerability can predict differential antibacterial susceptibility. Our results quantitatively redefine essential bacterial processes and identify high-value targets for drug development.

ABSTRACT Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is notoriously difficult to treat. Treatment efficacy is limited by Mtb’s intrinsic drug resistance, as well as its ability to evolve acquired resistance to all antituberculars in clinical use. A deeper understanding of the bacterial pathways that govern drug efficacy could facilitate the development of more effective therapies to overcome resistance, identify new mechanisms of acquired resistance, and reveal overlooked therapeutic opportunities. To define these pathways, we developed a CRISPR interference chemical-genetics platform to titrate the expression of Mtb genes and quantify bacterial fitness in the presence of different drugs. Mining this dataset, we discovered diverse and novel mechanisms of intrinsic drug resistance, unveiling hundreds of potential targets for synergistic drug combinations. Combining chemical-genetics with comparative genomics of Mtb clinical isolates, we further identified numerous new potential mechanisms of acquired drug resistance, one of which is associated with the emergence of a multidrug-resistant tuberculosis (TB) outbreak in South America. Lastly, we make the unexpected discovery of an “acquired drug sensitivity.” We found that the intrinsic resistance factor whiB7 was inactivated in an entire Mtb sublineage endemic to Southeast Asia, presenting an opportunity to potentially repurpose the macrolide antibiotic clarithromycin to treat TB. This chemical-genetic map provides a rich resource to understand drug efficacy in Mtb and guide future TB drug development and treatment.

Pathogenic mycobacteria are a significant cause of morbidity and mortality worldwide. These bacteria are highly intrinsically drug resistant, making infections challenging to treat. The conserved

Isolated congenital asplenia (ICA) is the only known human developmental defect exclusively affecting a lymphoid organ. In 2013, we showed that private deleterious mutations in the protein-coding region of RPSA, encoding ribosomal protein SA, caused ICA by haploinsufficiency with complete penetrance. We reported seven heterozygous protein-coding mutations in 8 of the 23 kindreds studied, including 6 of the 8 multiplex kindreds. We have since enrolled 33 new kindreds, 5 of which are multiplex. We describe here eleven new heterozygous ICA-causing RPSA protein-coding mutations, and the first two mutations in the 5'-UTR of this gene, which disrupt mRNA splicing. Overall, 40 of the 73 ICA patients (55%) and 23 of the 56 kindreds (41%) carry mutations located in translated or untranslated exons of RPSA. Eleven of the 43 kindreds affected by sporadic disease (26%) carry RPSA mutations, whereas 12 of the 13 multiplex kindreds (92%) carry RPSA mutations. We also report that six of eighteen (33%) protein-coding mutations and the two (100%) 5'-UTR mutations display incomplete penetrance. Three mutations were identified in 2 independent kindreds, due to a hotspot or a founder effect. Lastly, RPSA ICA-causing mutations were demonstrated to be de novo in 7 of the 23 probands. Mutations in RPSA exons can affect the translated or untranslated regions and can underlie ICA with complete or incomplete penetrance.