ABSTRACT Recently, the first Neisseria gonorrhoeae strain (H041) that is highly resistant to the extended-spectrum cephalosporin (ESC) ceftriaxone, the last remaining option for empirical first-line treatment, was isolated. We performed a detailed characterization of H041, phenotypically and genetically, to confirm the finding, examine its antimicrobial resistance (AMR), and elucidate the resistance mechanisms. H041 was examined using seven species-confirmatory tests, antibiograms (30 antimicrobials), porB sequencing, N. gonorrhoeae multiantigen sequence typing (NG-MAST), multilocus sequence typing (MLST), and sequencing of ESC resistance determinants ( penA , mtrR , penB , ponA , and pilQ ). Transformation, using appropriate recipient strains, was performed to confirm the ESC resistance determinants. H041 was assigned to serovar Bpyust, MLST sequence type (ST) ST7363, and the new NG-MAST ST4220. H041 proved highly resistant to ceftriaxone (2 to 4 μg/ml, which is 4- to 8-fold higher than any previously described isolate) and all other cephalosporins, as well as most other antimicrobials tested. A new penA mosaic allele caused the ceftriaxone resistance. In conclusion, N. gonorrhoeae has now shown its ability to also develop ceftriaxone resistance. Although the biological fitness of ceftriaxone resistance in N. gonorrhoeae remains unknown, N. gonorrhoeae may soon become a true superbug, causing untreatable gonorrhea. A reduction in the global gonorrhea burden by enhanced disease control activities, combined with wider strategies for general AMR control and enhanced understanding of the mechanisms of emergence and spread of AMR, which need to be monitored globally, and public health response plans for global (and national) perspectives are important. Ultimately, the development of new drugs for efficacious gonorrhea treatment is necessary.

ABSTRACT Recently, the first Neisseria gonorrhoeae strain (H041) highly resistant to the expanded-spectrum cephalosporins (ESCs) ceftriaxone and cefixime, which are the last remaining options for first-line gonorrhea treatment, was isolated in Japan. Here, we confirm and characterize a second strain (F89) with high-level cefixime and ceftriaxone resistance which was isolated in France and most likely caused a treatment failure with cefixime. F89 was examined using six species-confirmatory tests, antibiograms (33 antimicrobials), porB sequencing, N. gonorrhoeae multiantigen sequence typing (NG-MAST), multilocus sequence typing (MLST), and sequencing of known gonococcal resistance determinants ( penA , mtrR , penB , ponA , and pilQ ). F89 was assigned to MLST sequence type 1901 (ST1901) and NG-MAST ST1407, which is a successful gonococcal clone that has spread globally. F89 has high-level resistance to cefixime (MIC = 4 μg/ml) and ceftriaxone (MIC = 1 to 2 μg/ml) and resistance to most other antimicrobials examined. A novel penA mosaic allele ( penA-CI ), which was penA-XXXIV with an additional A501P alteration in penicillin-binding protein 2, was the primary determinant for high-level ESC resistance, as determined by transformation into a set of recipient strains. N. gonorrhoeae appears to be emerging as a superbug, and in certain circumstances and settings, gonorrhea may become untreatable. Investigations of the biological fitness and enhanced understanding and monitoring of the ESC-resistant clones and their international transmission are required. Enhanced disease control activities, antimicrobial resistance control and surveillance worldwide, and public health response plans for global (and national) perspectives are also crucial. Nevertheless, new treatment strategies and/or drugs and, ideally, a vaccine are essential to develop for efficacious gonorrhea management.

Abstract Antimicrobial resistance in Neisseria gonorrhoeae is a global health concern. Strains from two internationally circulating sequence types, ST-7363 and ST-1901, have acquired resistance to treatment with third-generation cephalosporins mainly due to the emergence of mosaic penA alleles. These two STs were first detected in Japan; however, when and how the mosaic penA alleles emerged and spread to other countries remains unknown. Here, we addressed the evolution of penA alleles by obtaining complete genomes from three Japanese ST-1901 clinical isolates harboring mosaic penA allele 34 ( penA- 34) dating from 2005 and generating a phylogenetic representation of 1,075 strains sampled from 37 countries. We also sequenced the genomes of 103 Japanese ST-7363 N. gonorrhoeae isolates from 1996-2005 and reconstructed a phylogeny including 88 previously sequenced genomes. Based on an estimate of the time of emergence of ST-1901 harboring mosaic penA-34 and ST-7363 harboring mosaic penA -10, and >300 additional genome sequences of Japanese strains representing multiple STs isolated in 1996-2015, we suggest that penA -34 in ST-1901 was generated from penA -10 via recombination with another Neisseria species, followed by a second recombination event with a gonococcal strain harboring wildtype penA -1. Following the acquisition of penA -10 in ST-7363, a dominant sub-lineage rapidly acquired fluoroquinolone resistance mutations at GyrA 95 and ParC 87-88, possibly due to independent mutations rather than horizontal gene transfer. Literature data suggest the emergence of these resistance determinants may reflect selection from the standard treatment regimens in Japan at that time. Our findings highlight how recombination and antibiotic use across and within Neisseria species intersect in driving the emergence and spread of drug-resistant gonorrhea. Author summary Antimicrobial resistance is recognized as one of the greatest threats to human health, and Neisseria gonorrhoeae resistance is classified as one of the most urgent. The two major internationally spreading lineages resistant. to first line drugs likely originated in Japan, but when and how their genetic resistance determinants emerged remain unknown. In this study, we conducted an evolutionary analysis using clinical N. gonorrhoeae isolates from 37 countries, including a historical collection of Japanese isolates, to investigate the emergence of resistance in each of the two major lineages. We showed that the penA allele responsible for resistance to cephalosporins, the first-line treatment for gonorrhea, was possibly generated by two recombination events, one from another Neisseria species and one from another N. gonorrhoeae lineage. We also showed that mutations responsible for resistance to a previously widely used antibiotic treatment occurred twice independently in one of the two major lineages. The emergence of the genetic resistance determinants potentially reflects selection from the standard treatment regimen at that time. Our findings highlight how recombination (horizontal gene transfer) and antibiotic use across and within a bacterial species intersect in driving the emergence and spread of antimicrobial resistance genes and mutations.

Abstract Comparative genomic analysis of Vibrio cholerae El Tor associated with endemic cholera in Asia revealed two distinct lineages, one dominant in Bangladesh and the other in India. An in depth whole genome study of V. cholerae El Tor clinical strains isolated during endemic cholera in Bangladesh (1991 – 2017) included reference genome sequence data obtained online. Core genome phylogeny established using single nucleotide polymorphisms (SNPs) showed V. cholerae El Tor strains comprised two lineages, BD-1 and BD-2, which, according to Bayesian phylodynamic analysis, originated from paraphyletic group BD-0 around 1981. BD-1 and BD-2 lineages overlapped temporally but were negatively associated as causative agents of cholera 2004-2017. Genome wide association study (GWAS) revealed 140 SNPs and 31 indels, resulting in gene alleles unique to BD-1 and BD-2. Regression analysis of root to tip distance and year of isolation indicated early BD-0 strains at the base, whereas BD-1 and BD-2 subsequently emerged and progressed by accumulating SNPs. Pangenome analysis provided evidence of gene acquisition by both BD-1 and BD-2, of which six crucial proteins of known function were predominant in BD-2. BD-1 and BD-2 diverged and have distinctively different genomic traits, namely heterogeneity in VSP-2, VPI-1, mobile elements, toxin encoding elements, and total gene abundance. In addition, the observed phage-inducible chromosomal island-like element (PLE1), and SXT ICE elements (ICE TET ) in BD-2 presumably provided a fitness advantage for the lineage to outcompete BD-1 as the etiological agent of the endemic cholera in Bangladesh, with implications for global cholera epidemiology. Importance Cholera is a global disease with specific reference to the Bay of Bengal Ganges Delta where Vibrio cholerae O1 El Tor, causative agent of the disease showed two circulating lineages, one dominant in Bangladesh and the other in India. Results of in-depth genomic study of V. cholerae associated with endemic cholera during the past 27 years (1991 – 2017) indicate emergence and succession of the two lineages, BD-1 and BD-2, arising from a common ancestral paraphylatic group, BD-0, comprising the early strains and short-term evolution of the bacterium in Bangladesh. Among the two V. cholerae lineages, BD-2 supersedes BD-1 and is predominant in the most recent endemic cholera in Bangladesh. The BD-2 lineage contained significantly more SNPs and indels, and showed richness in gene abundance, including antimicrobial resistance genes, gene cassettes, and PLE to fight against bacteriophage infection, acquired over time. These findings have important epidemic implications at a global scale.

Abstract Sequencing of most Treponema pallidum ( T. pallidum ) genomes excludes repeat regions in tp0470 and the tp0433 gene, encoding the acidic repeat protein ( arp ). As a first step to understanding the evolution and function of these genes and the proteins they encode, we developed a protocol to nanopore sequence tp0470 and arp genes from 212 clinical samples collected from ten countries on six continents. Both tp0470 and arp repeat structures recapitulate the whole genome phylogeny, with subclade-specific patterns emerging. The number of tp0470 repeats is on average appears to be higher in Nichols-like clade strains than in SS14-like clade strains. Consistent with previous studies, we found that 14-repeat arp sequences predominate across both major clades, but the combination and order of repeat type varies among subclades, with many arp sequence variants limited to a single subclade. Although strains that were closely related by whole genome sequencing frequently had the same arp repeat length, this was not always the case. Structural modelling of TP0470 suggested that the eight residue repeats form an extended α-helix, predicted to be periplasmic. Modeling of the ARP revealed a C-terminal sporulation-related repeat (SPOR) domain, predicted to bind denuded peptidoglycan, with repeat regions possibly incorporated into a highly charged β- sheet. Outside of the repeats, all TP0470 and ARP amino acid sequences were identical. Together, our data, along with functional considerations, suggests that both TP0470 and ARP proteins may be involved in T. pallidum cell envelope remodeling and homeostasis, with their highly plastic repeat regions playing as-yet-undetermined roles.

Abstract Objectives The novel dual-target triazaacenaphthylene, gepotidacin, recently showed promising results in its Phase III randomized controlled trial for the treatment of gonorrhoea. We investigated alterations in the gepotidacin GyrA and ParC targets in gonococci by in silico mining of publicly available global genomes (n = 33 213) and determined gepotidacin MICs in isolates with GyrA A92 alterations combined with other GyrA and/or ParC alterations. Methods We examined gonococcal gyrA and parC alleles available at the European Nucleotide Archive. MICs were determined using the agar dilution method (gepotidacin) or Etest (four antimicrobials). Models of DNA gyrase and topoisomerase IV were obtained from AlphaFold and used to model gepotidacin in the binding site. Results GyrA A92 alterations were identified in 0.24% of genomes: GyrA A92P/S/V + S91F + D95Y/A/N (0.208%), A92P + S91F (0.024%) and A92P (0.003%), but no A92T (previously associated with gepotidacin resistance) was found. ParC D86 alterations were found in 10.6% of genomes: ParC D86N/G (10.5%), D86N + S87I (0.051%), D86N + S88P (0.012%) and D86G + E91G (0.003%). One isolate had GyrA A92P + ParC D86N alterations, but remained susceptible to gepotidacin (MIC = 0.125 mg/L). No GyrA plus ParC alterations resulted in a gepotidacin MIC > 4 mg/L. Modelling of gepotidacin binding to GyrA A92/A92T/A92P suggested that gepotidacin resistance due to GyrA A92T might be linked to the formation of a new polar contact with DNA. Conclusions In silico mining of 33 213 global gonococcal genomes (isolates from 1928 to 2023) showed that A92 is highly conserved in GyrA, while alterations in D86 of ParC are common. No GyrA plus ParC alterations caused gepotidacin resistance. MIC determination and genomic surveillance of potential antimicrobial resistance determinants are imperative.

Abstract Hypermutability of simple sequence repeats (SSR) through DNA slippage is a major mechanism of phase variation in Campylobacter jejuni. The presence of multiple SSR-mediated phase-variable genes encoding enzymes that modify surface structures, including capsular polysaccharide (CPS) and lipooligosaccharide (LOS), generates high levels of structural variants within bacterial populations, thereby promoting adaptation to selective pressures in host environments. Therefore, the phenotypic diversity generated by phase variation can limit the reproducibility of results with C. jejuni; therefore, researchers need to genetically control the mutability of multiple SSRs. Here, we show that natural “cotransformation” is an effective method for C. jejuni genome editing. Cotransformation is a trait of naturally competent bacteria that causes uptake and integration of multiple different DNA fragments, which has been recently adapted to multiplex genome editing by natural transformation (MuGENT), a method for introducing multiple scarless mutations into the genomes of these bacteria. We found that the cotransformation frequencies of antibiotic resistance gene-marked DNA fragments and unmarked DNA fragments reached ~40% in C. jejuni. To examine the feasibility of MuGENT in C. jejuni, we “locked” either different polyG SSR tracts in strain NCTC11168 (which are located in the biosynthetic CPS and LOS gene clusters) into either the ON or OFF configurations by interrupting the continuous runs of G residues without changing the encoded amino acids. This approach, termed “MuGENT-SSR,” enabled the generation of all eight edits within 2 weeks and the identification of a phase-locked strain with a highly stable type of Penner serotyping, a CPS-based serotyping scheme. Furthermore, extensive genome editing of this strain by MuGENT-SSR identified a phase-variable gene that determines the Penner serotype of NCTC11168. Thus, MuGENT-SSR provides a platform for genetic and phenotypic engineering of genetically unstable C. jejuni, making it a reliable approach for elucidating the mechanisms underlying phase-variable expression of specific phenotypes. Author summary Campylobacter jejuni is the leading bacterial cause of food-borne gastroenteritis in developed countries and occasionally progresses to the autoimmune disease Guillain–Barré syndrome. The genetically and phenotypically unstable features of this bacterial species limit research and development efforts. A relatively large number of hypermutable simple sequence repeat (SSR) tracts in the C. jejuni genome markedly decreases its phenotypic stability through reversible changes in the ON or OFF expression states of the genes in which they reside, a phenomenon called phase variation. Thus, controlling SSR-mediated phase variation can be important for achieving stable and reproducible research on C. jejuni . In this study, we developed a feasible and effective approach to genetically manipulate multiple SSR tracts in the C. jejuni genome using natural cotransformation, a trait of naturally transformable bacterial species that causes the uptake and integration of multiple different DNA molecules. This approach will greatly help to improve the genetic and phenotypic stability of C. jejuni to enable diverse applications in research and development.

Abstract In spite of its immutable susceptibility to penicillin, Treponema pallidum ( T. pallidum ) subsp. pallidum continues to cause millions of cases of syphilis each year worldwide, resulting in significant morbidity and mortality and underscoring the urgency of developing an effective vaccine to curtail the spread of the infection. Several technical challenges, including absence of an in vitro culture system until very recently, have hampered efforts to catalog the diversity of strains collected worldwide. Here, we provide near-complete genomes from 196 T. pallidum strains – including 191 T. pallidum subsp. pallidum – sequenced directly from patient samples collected from 8 countries and 6 continents. Maximum likelihood phylogeny revealed that samples from most sites were predominantly SS14 clade. However, 99% (84/85) of the samples from Madagascar formed two of the five distinct Nichols subclades. Although recombination was uncommon in the evolution of modern circulating strains, we found multiple putative recombination events between T. pallidum subsp. pallidum and subsp. endemicum , shaping the genomes of several subclades. Temporal analysis dated the most recent common ancestor of Nichols and SS14 clades to 1717 (95% HPD: 1543-1869), in agreement with other recent studies. Rates of SNP accumulation varied significantly among subclades, particularly among different Nichols subclades, and was associated in the Nichols A subclade with a C394F substitution in TP0380, a ERCC3-like DNA repair helicase. Our data highlight the role played by variation in genes encoding putative surface-exposed outer membrane proteins in defining separate lineages, and provide a critical resource for the design of broadly protective syphilis vaccines targeting surface antigens. Author Summary Each year, millions of new cases of venereal and congenital syphilis, caused by the bacterium Treponema pallidum ( T. pallidum ) subsp. pallidum, are diagnosed worldwide, resulting in significant morbidity and mortality. Alongside endemic circulation of syphilis in low-income countries, disease resurgence in high-income nations has underscored the need for a vaccine. Due to prior technological limitations in culturing and sequencing the organism, the extent of the genetic diversity within modern strains of T. pallidum subsp. pallidum remains poorly understood, hampering development of a broadly protective vaccine. In this study, we obtained 196 near-complete T. pallidum genomes directly from clinical swabs from eight countries across six continents. Of these, 191 were identified as T. pallidum subsp. pallidum , including 90 Nichols clade genomes. Bayesian analysis revealed a high degree of variance in mutation rate among subclades. Interestingly, a Nichols subclade with a particularly high mutation rate harbors a non-synonymous mutation in a putative DNA repair helicase. Coupling sequencing data with protein structure prediction, we identified multiple novel amino acid variants in several proteins previously identified as potential vaccine candidates. Our data help inform current efforts to develop a broadly protective syphilis vaccine.

In recent years, syphilis notifications have increased dramatically in Japan. We performed molecular typing and analyzed macrolide resistance of Treponema pallidum samples collected from four clinics and a hospital in Tokyo and Osaka prefectures in 2017. Macrolide resistant strain type 14d/f was found significantly more in heterosexual syphilis cases compared with those strains identified in men who have sex with men (MSM) syphilis cases. The proportion of 14d/f among heterosexuals was 79% (31/39) compared to 37% (7/19) among MSM [OR, 6.6 (95% CI, 1.7 to 26.7); P=0.002]. 83% (50/60) of the strains were identified as macrolide resistant with an A2058G mutation at the 23S rRNA gene. 90% (35/39) of the heterosexual strains were macrolide resistant, relative to 58% (11/19) of MSM strains; the odds of having the resistant mutation was considerably higher in heterosexuals compared with MSM [OR, 6.4 (95% CI, 1.3 to 33.5); P=0.02]. Heterosexual females and males showed similar distributions, and the results remained the same when restricted to men. The strain type distribution and frequency of macrolide resistance differed substantially between heterosexual and MSM syphilis samples, suggesting distinct epidemiologic profiles for the two communities and insight into syphilis transmission dynamics in Japan.