Little is known about the biochemical environment in phagosomes harboring an infectious agent. To assess the state of this organelle we captured the transcriptional responses of Mycobacterium tuberculosis (MTB) in macrophages from wild-type and nitric oxide (NO) synthase 2–deficient mice before and after immunologic activation. The intraphagosomal transcriptome was compared with the transcriptome of MTB in standard broth culture and during growth in diverse conditions designed to simulate features of the phagosomal environment. Genes expressed differentially as a consequence of intraphagosomal residence included an interferon γ– and NO-induced response that intensifies an iron-scavenging program, converts the microbe from aerobic to anaerobic respiration, and induces a dormancy regulon. Induction of genes involved in the activation and β-oxidation of fatty acids indicated that fatty acids furnish carbon and energy. Induction of σE-dependent, sodium dodecyl sulfate–regulated genes and genes involved in mycolic acid modification pointed to damage and repair of the cell envelope. Sentinel genes within the intraphagosomal transcriptome were induced similarly by MTB in the lungs of mice. The microbial transcriptome thus served as a bioprobe of the MTB phagosomal environment, showing it to be nitrosative, oxidative, functionally hypoxic, carbohydrate poor, and capable of perturbing the pathogen's cell envelope.

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.

The production of nitric oxide and other reactive nitrogen intermediates (RNI) by macrophages helps to control infection by Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). However, the protection is imperfect and infection persists. To identify genes that Mtb requires to resist RNI, we screened 10,100 Mtb transposon mutants for hypersusceptibility to acidified nitrite. We found 12 mutants with insertions in seven genes representing six pathways, including the repair of DNA ( uvrB ) and the synthesis of a flavin cofactor ( fbiC ). Five mutants had insertions in proteasome-associated genes. An Mtb mutant deficient in a presumptive proteasomal adenosine triphosphatase was attenuated in mice, and exposure to proteasomal protease inhibitors markedly sensitized wild-type Mtb to RNI. Thus, the mycobacterial proteasome serves as a defense against oxidative or nitrosative stress.

Macrophage activation determines the outcome of infection by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Interferon-γ (IFN-γ) activates macrophages by driving Janus tyrosine kinase (JAK)/signal transducer and activator of transcription–dependent induction of transcription and PKR-dependent suppression of translation. Microarray-based experiments reported here enlarge this picture. Exposure to IFN-γ and/or Mtb led to altered expression of 25% of the monitored genome in macrophages. The number of genes suppressed by IFN-γ exceeded the number of genes induced, and much of the suppression was transcriptional. Five times as many genes related to immunity and inflammation were induced than suppressed. Mtb mimicked or synergized with IFN-γ more than antagonized its actions. Phagocytosis of nonviable Mtb or polystyrene beads affected many genes, but the transcriptional signature of macrophages infected with viable Mtb was distinct. Studies involving macrophages deficient in inducible nitric oxide synthase and/or phagocyte oxidase revealed that these two antimicrobial enzymes help orchestrate the profound transcriptional remodeling that underlies macrophage activation.

Gene expression systems that allow the regulation of bacterial genes during an infection are valuable molecular tools but are lacking for mycobacterial pathogens. We report the development of mycobacterial gene regulation systems that allow controlling gene expression in fast and slow-growing mycobacteria, including Mycobacterium tuberculosis, using anhydrotetracycline (ATc) as inducer. The systems are based on the Escherichia coli Tn10-derived tet regulatory system and consist of a strong tet operator (tetO)-containing mycobacterial promoter, expression cassettes for the repressor TetR and the chemical inducer ATc. These systems allow gene regulation over two orders of magnitude in Mycobacterium smegmatis and M.tuberculosis. TetR-controlled gene expression was inducer concentration-dependent and maximal with ATc concentrations at least 10- and 20-fold below the minimal inhibitory concentration for M.smegmatis and M.tuberculosis, respectively. Using the essential mycobacterial gene ftsZ, we showed that these expression systems can be used to construct conditional knockouts and to analyze the function of essential mycobacterial genes. Finally, we demonstrated that these systems allow gene regulation in M.tuberculosis within the macrophage phagosome.

Metabolic adaptation to the host environment is a defining feature of the pathogenicity of Mycobacterium tuberculosis (Mtb), but we lack biochemical knowledge of its metabolic networks. Many bacteria use catabolite repression as a regulatory mechanism to maximize growth by consuming individual carbon substrates in a preferred sequence and growing with diauxic kinetics. Surprisingly, untargeted metabolite profiling of Mtb growing on 13C-labeled carbon substrates revealed that Mtb could catabolize multiple carbon sources simultaneously to achieve enhanced monophasic growth. Moreover, when co-catabolizing multiple carbon sources, Mtb differentially catabolized each carbon source through the glycolytic, pentose phosphate, and/or tricarboxylic acid pathways to distinct metabolic fates. This unusual topologic organization of bacterial intermediary metabolism has not been previously observed and may subserve the pathogenicity of Mtb.

Acidification of the phagosome is a key mechanism thought to be used by macrophages against Mycobacterium tuberculosis. The authors identify a previously undescribed gene that confers acid resistance to the bacterium and is essential for virulence ( pages 809–810 ). Acidification of the phagosome is considered to be a major mechanism used by macrophages against bacteria, including Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Mtb blocks phagosome acidification1, but interferon-γ (IFN-γ) restores acidification and confers antimycobacterial activity2,3. Nonetheless, it remains unclear whether acid kills Mtb, whether the intrabacterial pH of any pathogen falls when it is in the phagosome and whether acid resistance is required for mycobacterial virulence. In vitro at pH 4.5, Mtb survived in a simple buffer and maintained intrabacterial pH. Therefore, Mtb resists phagolysosomal concentrations of acid. Mtb also maintained its intrabacterial pH and survived when phagocytosed by IFN-γ–activated macrophages. We used transposon mutagenesis to identify genes responsible for Mtb's acid resistance. A strain disrupted in Rv3671c, a previously uncharacterized gene encoding a membrane-associated protein, was sensitive to acid and failed to maintain intrabacterial pH in acid in vitro and in activated macrophages. Growth of the mutant was also severely attenuated in mice. Thus, Mtb is able to resist acid, owing in large part to Rv3671c, and this resistance is essential for virulence. Disruption of Mtb's acid resistance and intrabacterial pH maintenance systems is an attractive target for chemotherapy.

Metabolic adaptation to the host niche is a defining feature of the pathogenicity of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) . In vitro, Mtb is able to grow on a variety of carbon sources, but mounting evidence has implicated fatty acids as the major source of carbon and energy for Mtb during infection. When bacterial metabolism is primarily fueled by fatty acids, biosynthesis of sugars from intermediates of the tricarboxylic acid cycle is essential for growth. The role of gluconeogenesis in the pathogenesis of Mtb however remains unaddressed. Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) catalyzes the first committed step of gluconeogenesis. We applied genetic analyses and 13 C carbon tracing to confirm that PEPCK is essential for growth of Mtb on fatty acids and catalyzes carbon flow from tricarboxylic acid cycle–derived metabolites to gluconeogenic intermediates. We further show that PEPCK is required for growth of Mtb in isolated bone marrow–derived murine macrophages and in mice. Importantly, Mtb lacking PEPCK not only failed to replicate in mouse lungs but also failed to survive, and PEPCK depletion during the chronic phase of infection resulted in mycobacterial clearance. Mtb thus relies on gluconeogenesis throughout the infection. PEPCK depletion also attenuated Mtb in IFNγ-deficient mice, suggesting that this enzyme represents an attractive target for chemotherapy.

Abstract The outcome of an encounter with Mycobacterium tuberculosis depends on the pathogen’s ability to adapt to the variable immune pressures exerted by the host. Understanding this interplay has proven difficult, largely because experimentally tractable animal models do not recapitulate the heterogeneity of tuberculosis disease. We leveraged the genetically diverse Collaborative Cross (CC) mouse panel in conjunction with a library of Mtb mutants to associate bacterial genetic requirements with host genetics and immunity. We report that CC strains vary dramatically in their susceptibility to infection and produce qualitatively distinct immune states. Global analysis of Mtb mutant fitness across the CC panel revealed that many virulence pathways are only in specific host microenvironments, identifying the large fraction of the pathogen’s genome that has been maintained to ensure fitness in a diverse population. Both immunological and bacterial traits were associated with genetic variants distributed across the mouse genome, identifying the specific host-pathogen genetic interactions that influence pathogenesis.

Human challenge experiments could greatly accelerate the development of a tuberculosis (TB) vaccine. Human challenge for tuberculosis requires a strain that can both replicate in the host and be reliably cleared. To accomplish this, we designed Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains featuring up to three orthogonal kill switches, tightly regulated by exogenous tetracyclines and trimethoprim. The resultant strains displayed immunogenicity and antibiotic susceptibility similar to wild-type Mtb under permissive conditions. In the absence of supplementary exogenous compounds, the strains were rapidly killed in axenic culture, mice and nonhuman primates. Notably, the strain that contained three kill switches had an escape rate of less than 10 -10 per genome per generation and displayed no relapse in a SCID mouse model. Collectively, these findings suggest that this engineered Mtb strain could be a safe and effective candidate for a human challenge model.