ABSTRACT We analyzed a global collection of Mycobacterium tuberculosis strains using 212 single nucleotide polymorphism (SNP) markers. SNP nucleotide diversity was high (average across all SNPs, 0.19), and 96% of the SNP locus pairs were in complete linkage disequilibrium. Cluster analyses identified six deeply branching, phylogenetically distinct SNP cluster groups (SCGs) and five subgroups. The SCGs were strongly associated with the geographical origin of the M. tuberculosis samples and the birthplace of the human hosts. The most ancestral cluster (SCG-1) predominated in patients from the Indian subcontinent, while SCG-1 and another ancestral cluster (SCG-2) predominated in patients from East Asia, suggesting that M. tuberculosis first arose in the Indian subcontinent and spread worldwide through East Asia. Restricted SCG diversity and the prevalence of less ancestral SCGs in indigenous populations in Uganda and Mexico suggested a more recent introduction of M. tuberculosis into these regions. The East African Indian and Beijing spoligotypes were concordant with SCG-1 and SCG-2, respectively; X and Central Asian spoligotypes were also associated with one SCG or subgroup combination. Other clades had less consistent associations with SCGs. Mycobacterial interspersed repetitive unit (MIRU) analysis provided less robust phylogenetic information, and only 6 of the 12 MIRU microsatellite loci were highly differentiated between SCGs as measured by G ST . Finally, an algorithm was devised to identify two minimal sets of either 45 or 6 SNPs that could be used in future investigations to enable global collaborations for studies on evolution, strain differentiation, and biological differences of M. tuberculosis .

Generalist and specialist species differ in the breadth of their ecological niches. Little is known about the niche width of obligate human pathogens. Here we analyzed a global collection of Mycobacterium tuberculosis lineage 4 clinical isolates, the most geographically widespread cause of human tuberculosis. We show that lineage 4 comprises globally distributed and geographically restricted sublineages, suggesting a distinction between generalists and specialists. Population genomic analyses showed that, whereas the majority of human T cell epitopes were conserved in all sublineages, the proportion of variable epitopes was higher in generalists. Our data further support a European origin for the most common generalist sublineage. Hence, the global success of lineage 4 reflects distinct strategies adopted by different sublineages and the influence of human migration.

The molecular basis for isoniazid resistance in Mycobacterium tuberculosis is complex. Putative isoniazid resistance mutations have been identified in katG, ahpC, inhA, kasA, and ndh. However, small sample sizes and related potential biases in sample selection have precluded the development of statistically valid and significant population genetic analyses of clinical isoniazid resistance. We present the first large-scale analysis of 240 alleles previously associated with isoniazid resistance in a diverse set of 608 isoniazid-susceptible and 403 isoniazid-resistant clinical M. tuberculosis isolates. We detected 12 mutant alleles in isoniazid-susceptible isolates, suggesting that these alleles are not involved in isoniazid resistance. However, mutations in katG, ahpC, and inhA were strongly associated with isoniazid resistance, while kasA mutations were associated with isoniazid susceptibility. Remarkably, the distribution of isoniazid resistance-associated mutations was different in isoniazid-monoresistant isolates from that in multidrug-resistant isolates, with significantly fewer isoniazid resistance mutations in the isoniazid-monoresistant group. Mutations in katG315 were significantly more common in the multidrug-resistant isolates. Conversely, mutations in the inhA promoter were significantly more common in isoniazid-monoresistant isolates. We tested for interactions among mutations and resistance to different drugs. Mutations in katG, ahpC, and inhA were associated with rifampin resistance, but only katG315 mutations were associated with ethambutol resistance. There was also a significant inverse association between katG315 mutations and mutations in ahpC or inhA and between mutations in kasA and mutations in ahpC. Our results suggest that isoniazid resistance and the evolution of multidrug-resistant strains are complex dynamic processes that may be influenced by interactions between genes and drug-resistant phenotypes.

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.

Abstract Lineage 1 (L1) and 3 (L3) are two lineages of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC), causing tuberculosis (TB) in humans. L1 and L3 are endemic to the Rim of the Indian Ocean, the region that accounts for most of the world’s new TB cases. Despite their relevance for this region, L1 and L3 remain understudied. Here we analyzed 2,938 L1 and 2,030 L3 whole genome sequences originating from 69 countries. We show that South Asia played a central role in the dispersion of these two lineages to neighboring regions. Moreover, we found that L1 exhibits signatures of local adaptation at the esxH locus, a gene coding for a secreted effector that targets the human endosomal sorting complex, and is included in several vaccine candidates. Our study highlights the importance of genetic diversity in the MTBC, and sheds new light on two of the most important MTBC lineages affecting humans.

ABSTRACT Buruli ulcer (BU) is a neglected tropical disease caused by infection of subcutaneous tissue with Mycobacterium ulcerans . BU is commonly reported across rural regions of Central and West Africa but has been increasing dramatically in temperate southeast Australia around the major metropolitan city of Melbourne. Previous research has shown that Australian native possums are reservoirs of M. ulcerans and that they shed the bacteria in their fecal material (excreta). Field surveys show that locales where possums harbor M. ulcerans overlap with human cases of BU, raising the possibility of using possum excreta surveys to predict the risk of disease occurrence in humans. We thus established a highly structured 12-month possum excreta surveillance program across an area of 350 km 2 in the Mornington Peninsula area 70 km south of Melbourne, Australia. The primary objective of our study was to assess if M. ulcerans surveillance of possum excreta provided useful information for predicting future human BU case locations. Over two sampling campaigns in summer and winter, we collected 2282 possum excreta specimens of which 11% were PCR positive for M. ulcerans -specific DNA. Using the spatial scanning statistical tool SatScan , we observed non-random, co-correlated clustering of both M. ulcerans positive possum excreta and human BU cases. We next trained a statistical model with the Mornington Peninsula excreta survey data to predict the future likelihood of human BU cases occurring in the region. By observing where human BU cases subsequently occurred, we show that the excreta model performance was superior to a null model trained using the previous year’s human BU case incidence data (AUC 0.66 vs 0.55). We then used data unseen by the excreta-informed model from a new survey of 661 possum excreta specimens in Geelong, a geographically separate BU endemic area to the southwest of Melbourne, to prospectively predict the location of human BU cases in that region. As for the Mornington Peninsula, the excreta-based BU prediction model outperformed the null model (AUC 0.75 vs 0.50) and pinpointed specific locations in Geelong where interventions could be deployed to interrupt disease spread. This study highlights the One Health nature of BU by confirming a quantitative relationship between possum excreta shedding of M. ulcerans and humans developing BU. The excreta survey-informed modeling we have described will be a powerful tool for efficient targeting of public health responses to stop BU.

Mycobacterium chimaera is an opportunistic environmental mycobacterium, belonging to the Mycobacterium intracellulare complex. Although most commonly associated with pulmonary disease, there has been growing awareness of invasive M. chimaera infections following cardiac surgery. Investigations suggest world-wide spread of a specific M. chimaera clone, associated with contaminated hospital heater-cooler units used during the surgery. Given the global dissemination of this clone, its potential to cause invasive disease, and the laboriousness of current culture-based diagnostic methods, there is a pressing need to develop rapid and accurate diagnostic assays, specific for M. chimaera. Here, we assessed 354 mycobacterial genome sequences and confirmed that M. chimaera is a phylogenetically coherent group. In silico comparisons indicated six DNA regions present only in M. chimaera. We targeted one of these regions and developed a TaqMan qPCR assay for M. chimaera with a detection limit of 10 CFU in whole blood. In vitro screening against DNA extracted from 40 other mycobacteria and 22 bacterial species from 21 diverse genera confirmed in silico predicted specificity for M. chimaera. Screening 33 water samples from heater cooler units with this assay highlighted the increased sensitivity of PCR compared to culture, with 15 of 23 culture negative samples positive by M. chimaera qPCR. We have thus developed a robust molecular assay that can be readily and rapidly deployed to screen clinical and environmental specimens for M. chimaera.

Tuberculosis (TB) affects humans and other animals and is caused by bacteria from the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC). Previous studies have shown that there are at least nine members of the MTBC infecting animals other than humans; these have also been referred to as ecotypes. However, the ecology and the evolution of these animal-adapted MTBC ecotypes are poorly understood. Here we screened 12,886 publicly available MTBC genomes and newly sequenced 17 animal-adapted MTBC strains, gathering a total of 529 genomes of animal-adapted MTBC strains. Phylogenomic and comparative analyses confirm that the animal-adapted MTBC members are paraphyletic with some members more closely related to the human-adapted Mycobacterium africanum Lineage 6 than to other animal-adapted strains. Furthermore, we identified four main animal-adapted MTBC clades that might correspond to four main host shifts; two of these clades are proposed to reflect independent cattle domestication events. Contrary to what would be expected from an obligate pathogen, MTBC nucleotide diversity was not positively correlated with host phylogenetic distances, suggesting that host tropism in the animal-adapted MTBC seems to be driven more by contact rates and demographic aspects of the host population rather than host relatedness. By combining phylogenomics with ecological data, we propose an evolutionary scenario in which the ancestor of Lineage 6 and all animal-adapted MTBC ecotypes was a generalist pathogen that subsequently adapted to different host species. This study provides a new phylogenetic framework to better understand the evolution of the different ecotypes of the MTBC and guide future work aimed at elucidating the molecular mechanisms underlying host specificity.