Bordetella pertussis, Bordetella parapertussis and Bordetella bronchiseptica are closely related Gram-negative β-proteobacteria that colonize the respiratory tracts of mammals. B. pertussis is a strict human pathogen of recent evolutionary origin and is the primary etiologic agent of whooping cough. B. parapertussis can also cause whooping cough, and B. bronchiseptica causes chronic respiratory infections in a wide range of animals. We sequenced the genomes of B. bronchiseptica RB50 (5,338,400 bp; 5,007 predicted genes), B. parapertussis 12822 (4,773,551 bp; 4,404 genes) and B. pertussis Tohama I (4,086,186 bp; 3,816 genes). Our analysis indicates that B. parapertussis and B. pertussis are independent derivatives of B. bronchiseptica-like ancestors. During the evolution of these two host-restricted species there was large-scale gene loss and inactivation; host adaptation seems to be a consequence of loss, not gain, of function, and differences in virulence may be related to loss of regulatory or control functions.

BackgroundAnimals can act as a reservoir and source for the emergence of novel meticillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) clones in human beings. Here, we report the discovery of a strain of S aureus (LGA251) isolated from bulk milk that was phenotypically resistant to meticillin but tested negative for the mecA gene and a preliminary investigation of the extent to which such strains are present in bovine and human populations.MethodsIsolates of bovine MRSA were obtained from the Veterinary Laboratories Agency in the UK, and isolates of human MRSA were obtained from diagnostic or reference laboratories (two in the UK and one in Denmark). From these collections, we searched for mecA PCR-negative bovine and human S aureus isolates showing phenotypic meticillin resistance. We used whole-genome sequencing to establish the genetic basis for the observed antibiotic resistance.FindingsA divergent mecA homologue (mecALGA251) was discovered in the LGA251 genome located in a novel staphylococcal cassette chromosome mec element, designated type-XI SCCmec. The mecALGA251 was 70% identical to S aureus mecA homologues and was initially detected in 15 S aureus isolates from dairy cattle in England. These isolates were from three different multilocus sequence type lineages (CC130, CC705, and ST425); spa type t843 (associated with CC130) was identified in 60% of bovine isolates. When human mecA-negative MRSA isolates were tested, the mecALGA251 homologue was identified in 12 of 16 isolates from Scotland, 15 of 26 from England, and 24 of 32 from Denmark. As in cows, t843 was the most common spa type detected in human beings.InterpretationAlthough routine culture and antimicrobial susceptibility testing will identify S aureus isolates with this novel mecA homologue as meticillin resistant, present confirmatory methods will not identify them as MRSA. New diagnostic guidelines for the detection of MRSA should consider the inclusion of tests for mecALGA251.FundingDepartment for Environment, Food and Rural Affairs, Higher Education Funding Council for England, Isaac Newton Trust (University of Cambridge), and the Wellcome Trust.

Very high-throughput sequencing technologies need to be matched by high-throughput functional studies if we are to make full use of the current explosion in genome sequences. We have generated a very large bacterial mutant pool, consisting of an estimated 1.1 million transposon mutants and we have used genomic DNA from this mutant pool, and Illumina nucleotide sequencing to prime from the transposon and sequence into the adjacent target DNA. With this method, which we have called TraDIS ( tra nsposon d irected i nsertion-site s equencing), we have been able to map 370,000 unique transposon insertion sites to the Salmonella enterica serovar Typhi chromosome. The unprecedented density and resolution of mapped insertion sites, an average of one every 13 base pairs, has allowed us to assay simultaneously every gene in the genome for essentiality and generate a genome-wide list of candidate essential genes. In addition, the semiquantitative nature of the assay allowed us to identify genes that are advantageous and those that are disadvantageous for growth under standard laboratory conditions. Comparison of the mutant pool following growth in the presence or absence of ox bile enabled every gene to be assayed for its contribution toward bile tolerance, a trait required of any enteric bacterium and for carriage of S . Typhi in the gall bladder. This screen validated our hypothesis that we can simultaneously assay every gene in the genome to identify niche-specific essential genes.

Isolates of Salmonella enterica serovar Typhi (Typhi), a human-restricted bacterial pathogen that causes typhoid, show limited genetic variation. Kathryn Holt and colleagues now compare whole-genome sequences of 19 Typhi isolates dispersed throughout the phylogenetic tree of this pathogen, revealing notably little evidence of purifying selection, antigenic variation or recombination between isolates. Isolates of Salmonella enterica serovar Typhi (Typhi), a human-restricted bacterial pathogen that causes typhoid, show limited genetic variation. We generated whole-genome sequences for 19 Typhi isolates using 454 (Roche) and Solexa (Illumina) technologies. Isolates, including the previously sequenced CT18 and Ty2 isolates, were selected to represent major nodes in the phylogenetic tree. Comparative analysis showed little evidence of purifying selection, antigenic variation or recombination between isolates. Rather, evolution in the Typhi population seems to be characterized by ongoing loss of gene function, consistent with a small effective population size. The lack of evidence for antigenic variation driven by immune selection is in contrast to strong adaptive selection for mutations conferring antibiotic resistance in Typhi. The observed patterns of genetic isolation and drift are consistent with the proposed key role of asymptomatic carriers of Typhi as the main reservoir of this pathogen, highlighting the need for identification and treatment of carriers.

A PCR method for the unequivocal assignment of Haemophilus influenzae capsular type (types a to f) was developed. PCR primers were designed from capsule type-specific DNA sequences cloned from the capsular gene cluster of each of the six capsular types. PCR product was amplified only from the capsular type for which the primers were designed. Product was confirmed by using either an internal oligonucleotide or restriction endonuclease digestion. A total of 172 H. influenzae strains of known capsular type (determined genetically) comprising all capsular types and noncapsulate strains were tested by PCR capsular typing. In all cases the PCR capsular type corresponded to the capsular genotype determined by restriction fragment length polymorphism analysis of the cap region. When used in conjunction with PCR primers derived from the capsular gene bexA, capsulate, noncapsulate, and capsule-deficient type b mutant strains could be differentiated. PCR capsular typing overcomes the problems of cross-reaction and autoagglutination associated with the serotyping of H. influenzae strains. The rapid and unequivocal capsular typing method that is described will be particularly important for typing invasive H. influenzae strains isolated from recipients of H. influenzae type b vaccine.

We have determined the complete genome sequences of a host-promiscuous Salmonella enterica serovar Enteritidis PT4 isolate P125109 and a chicken-restricted Salmonella enterica serovar Gallinarum isolate 287/91. Genome comparisons between these and other Salmonella isolates indicate that S . Gallinarum 287/91 is a recently evolved descendent of S. Enteritidis. Significantly, the genome of S . Gallinarum has undergone extensive degradation through deletion and pseudogene formation. Comparison of the pseudogenes in S . Gallinarum with those identified previously in other host-adapted bacteria reveals the loss of many common functional traits and provides insights into possible mechanisms of host and tissue adaptation. We propose that experimental analysis in chickens and mice of S . Enteritidis–harboring mutations in functional homologs of the pseudogenes present in S. Gallinarum could provide an experimentally tractable route toward unraveling the genetic basis of host adaptation in S. enterica .

Sourcing Antibiotic Resistance It is widely assumed that antibiotic resistance in farm animals contributes in a major way to antibiotic resistance in humans. Mather et al. (p. 1514 , published online 12 September; see the Perspective by Woolhouse and Ward ) analyzed hundreds of genome sequences from Salmonella isolates collected from both livestock and patients in Scotland between 1990 and 2004. The relative contributions of animal-derived and human-derived sources of infection were quantified and the phylogenetic diversity of resistance profiles was matched with bacterial phylogenies. The results suggest that most human infections are caught from other humans rather than from livestock and that humans harbor a greater diversity of antibiotic resistance.

Abstract Antimicrobial resistance (AMR) is among the gravest threats to human health and food security worldwide. Pigs receive more antimicrobials than most other livestock, and are a known source of zoonotic disease. We studied AMR in Streptococcus suis , a commensal found in most pigs, but which can also cause serious disease in both pigs and humans. We obtained replicated measures of Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for 16 antibiotics, across a panel of 678 isolates, from the major pig-producing regions of the world. For several drugs, there was no natural separation into “resistant” and “susceptible”, highlighting the need to treat MIC as a quantitative trait. We found differences in MICs between countries, consistent with their patterns of antimicrobial usage. AMR levels were high even for drugs not used to treat S. suis , with many multi-drug resistant isolates. And similar levels of resistance were found in pigs and humans from zoonotic regions. We next used whole genome sequences for each isolate to identify 43 candidate resistance determinants, 22 of which were novel in S. suis . The presence of these determinants explained most of the variation in MIC. But there were also complications, including epistatic interactions, where known resistance alleles had no effect in some genetic backgrounds. Beta-lactam resistance involved many variants of small effect, appearing in a characteristic order. Our results confirm the potential for genomic data to aid in the fight against AMR, but also demonstrate that it cannot be tackled one species or one drug at a time.

Abstract Infection by Campylobacter is recognised as the most common cause of foodborne bacterial illness worldwide. Faecal contamination of meat, especially chicken, during processing represents a key route of transmission to humans. There is currently no licenced vaccine and no Campylobacter -resistant chickens. In addition, preventative measures aimed at reducing environmental contamination and exposure of chickens to Campylobacter jejuni (biosecurity) have been ineffective. There is much interest in the factors/mechanisms that drive C. jejuni colonisation and infection of animals, and survival in the environment. It is anticipated that understanding these mechanisms will guide the development of effective intervention strategies to reduce the burden of C. jejuni infection. Here we present a comprehensive analysis of C. jejuni fitness during growth and survival within and outside hosts. A comparative analysis of transposon (Tn) gene inactivation libraries in three C. jejuni strains by Tn-seq demonstrated that a large proportion, 331 genes, of the C. jejuni genome is dedicated to ( in vitro ) growth. An extensive Tn library in C. jejuni M1cam (~10,000 mutants) was screened for the colonisation of commercial broiler chickens, survival in houseflies and under nutrient-rich and–poor conditions at low temperature, and infection of human gut epithelial cells. We report C. jejuni factors essential throughout its life cycle and we have identified genes that fulfil important roles across multiple conditions, including maf3, fliW, fliD, pflB and capM , as well as novel genes uniquely implicated in survival outside hosts. Taking a comprehensive screening approach has confirmed previous studies, that the flagella are central to the ability of C. jejuni to interact with its hosts. Future efforts should focus on how to exploit this knowledge to effectively control infections caused by C. jejuni . Author Summary Campylobacter jejuni is the leading bacterial cause of human diarrhoeal disease. C. jejuni encounters and has to overcome a wide range of “stress” conditions whilst passing through the gastrointestinal tract of humans and other animals, during processing of food products, on/in food and in the environment. We have taken a comprehensive approach to understand the basis of C. jejuni growth and within/outside host survival, with the aim to inform future development of intervention strategies. Using a genome-wide transposon gene inactivation approach we identified genes core to the growth of C. jejuni . We also determined genes that were required during the colonisation of chickens, survival in the housefly and under nutrient-rich and –poor conditions at low temperature, and during interaction with human gut epithelial tissue culture cells. This study provides a comprehensive dataset linking C. jejuni genes to growth and survival in models relevant to its life cycle. Genes important across multiple models were identified as well as genes only required under specific conditions. We identified that a large proportion of the C. jejuni genome is dedicated to growth and that the flagella fulfil a prominent role in the interaction with hosts. Our data will aid development of effective control strategies.

Abstract Shotgun metagenomics is a powerful tool to identify antimicrobial resistance (AMR) genes in microbiomes but has the limitation that extrachromosomal DNA, such as plasmids, cannot be linked with the host bacterial chromosome. Here we present a laboratory and bioinformatics pipeline HAM-ART (Hi-C Assisted Metagenomics for Antimicrobial Resistance Tracking) optimised for the generation of metagenome-assembled genomes including both chromosomal and extrachromosomal AMR genes. We demonstrate the performance of the pipeline in a study comparing 100 pig faecal microbiomes from low- and high-antimicrobial use pig farms (organic and conventional farms). We found significant differences in the distribution of AMR genes between low- and high-antimicrobial use farms including a plasmid-borne lincosamide resistance gene exclusive to high-antimicrobial use farms in three species of Lactobacilli . Author Summary Antimicrobial resistance (AMR) is one of the biggest global health threats humanity is facing. Understanding the emergence and spread of AMR between different bacterial species is crucial for the development of effective countermeasures. In this paper we describe a user-friendly, affordable and comprehensive (laboratory and bioinformatics) workflow that is able to identify, associate and track AMR genes in bacteria. We demonstrate the efficiency and reliability of the method by comparing 50 faecal microbiomes from pig farms with high-antibiotic use (conventional farms), and 50 faecal microbiomes from pig farms with low-antibiotic use (organic farms). Our method provides a novel approach to resistance gene tracking, that also leads to the generation of high quality metagenomic assembled genomes that includes genes on mobile genetic elements, such as plasmids, that would not otherwise be included in these assembled genomes.