Abstract Human tuberculosis is caused by members of the Mycobacterium tuberculosis Complex (MTBC). The MTBC comprises several human-adapted lineages known as M. tuberculosis sensu stricto as well as two lineages (L5 and L6) traditionally referred to as M. africanum . Strains of L5 and L6 are largely limited to West Africa for reasons unknown, and little is known on their genomic diversity, phylogeography and evolution. Here, we analyzed the genomes of 365 L5 and 326 L6 strains, plus five related genomes that had not been classified into any of the known MTBC lineages, isolated from patients from 21 African countries. Our population genomic and phylogeographical analyses show that the unclassified genomes belonged to a new group that we propose to name MTBC Lineage 9 (L9). While the most likely ancestral distribution of L9 was predicted to be East Africa, the most likely ancestral distribution for both L5 and L6 was the Eastern part of West Africa. Moreover, we found important differences between L5 and L6 strains with respect to their phylogeographical substructure, genetic diversity and association with drug resistance. In conclusion, our study sheds new light onto the genomic diversity and evolutionary history of M. africanum, and highlights the need to consider the particularities of each MTBC lineage for understanding the ecology and epidemiology of tuberculosis in Africa and globally.

Background: Tracking recent transmission is a vital part of controlling widespread pathogens such as Mycobacterium tuberculosis. Multiple methods with specific performance characteristics exist for detecting recent transmission chains, usually by clustering strains based on genotype similarities. With such a large variety of methods available, informed selection of an appropriate approach for determining transmissions within a given setting/time period is difficult. Methods: This study combines whole genome sequence (WGS) data derived from 324 isolates collected 2005-2010 in Kinshasa, Democratic Republic of Congo (DRC), a high endemic setting, with phylodynamics to unveil the timing of transmission events posited by a variety of standard genotyping methods. Clustering data based on Spoligotyping, 24-loci MIRU-VNTR typing, WGS based SNP (Single Nucleotide Polymorphism) and core genome multi locus sequence typing (cgMLST) typing were evaluated. Findings: Our results suggest that clusters based on Spoligotyping could encompass transmission events that occurred over 70 years prior to sampling while 24-loci-MIRU-VNTR often represented two or more decades of transmission. Instead, WGS based genotyping applying low SNP or cgMLST allele thresholds allows for determination of recent transmission events in timespans of up to 10 years e.g. for a 5 SNP/allele cut-off. Interpretation: With the rapid uptake of WGS methods in surveillance and outbreak tracking, the findings obtained in this study can guide the selection of appropriate clustering methods for uncovering relevant transmission chains within a given time-period. For high resolution cluster analyses, WGS-SNP and cgMLST based analyses have similar clustering/timing characteristics even for data obtained from a high incidence setting.

Mycobacterium africanum (Maf) causes up to half of human tuberculosis in West Africa, but little is known on this pathogen. We compared the genomes of 253 Maf clinical isolates from Ghana, including both L5 and L6. We found that the genomic diversity of L6 was higher than in L5, and the selection pressures differed between both groups. Regulatory proteins appeared to evolve neutrally in L5 but under purifying selection in L6. Conversely, variable T cell epitopes were under purifying selection in L5, but under positive selection in L6. Although only 10% of the T cell epitopes were variable, mutations were mostly lineage-specific. Our findings indicate that Maf L5 and L6 are genomically distinct, possibly reflecting different ecological niches.

The geographically restricted Mycobacterium africanum lineages (MAF) are primarily found in West Africa, where they account for a significant proportion of tuberculosis. Despite this phenomenon, little is known about the co-evolution of these ancient lineages with West Africans. MAF and M. tuberculosis sensu stricto lineages (MTB) differ in their clinical, in vitro and in vivo characteristics for reasons not fully understood. Therefore, we compared genomes of 289 MAF and 205 MTB clinical isolates from the 6 main human-adapted M. tuberculosis complex lineages, for mutations in their Electron Transport Chain and Central Carbon Metabolic pathway in order to explain these metabolic differences. Furthermore, we determined, in silico, whether each mutation could affect the function of genes encoding enzymes in these pathways.We found more mutations with the potential to affect enzymes in these pathways in MAF lineages compared to MTB lineages. We also found that similar mutations occurred in these pathways between MAF and some MTB lineages.Generally, our findings show further differences between MAF and MTB lineages that may have contributed to the MAF clinical and growth phenotype and indicate potential adaptation of MAF lineages to a distinct ecological niche, which we suggest includes areas characterized by low oxygen tension.