Iñaki Comas and colleagues report whole-genome sequencing and analysis of 259 Mycobacterium tuberculosis complex strains, providing a survey of global diversity and facilitating evolutionary analyses. Their phylogeographic analysis suggests the emergence of M. tuberculosis complex strains about 70,000 years ago in Africa, with expansion correlated with increased human population density during the Neolithic Demographic Transition. Tuberculosis caused 20% of all human deaths in the Western world between the seventeenth and nineteenth centuries and remains a cause of high mortality in developing countries. In analogy to other crowd diseases, the origin of human tuberculosis has been associated with the Neolithic Demographic Transition, but recent studies point to a much earlier origin. We analyzed the whole genomes of 259 M. tuberculosis complex (MTBC) strains and used this data set to characterize global diversity and to reconstruct the evolutionary history of this pathogen. Coalescent analyses indicate that MTBC emerged about 70,000 years ago, accompanied migrations of anatomically modern humans out of Africa and expanded as a consequence of increases in human population density during the Neolithic period. This long coevolutionary history is consistent with MTBC displaying characteristics indicative of adaptation to both low and high host densities.

Mycobacterium tuberculosis remains a major cause of morbidity and mortality worldwide. Studies have reported human pathogens to have geographically structured population genetics, some of which have been linked to ancient human migrations. However, no study has addressed the potential evolutionary consequences of such longstanding human-pathogen associations. Here, we demonstrate that the global population structure of M. tuberculosis is defined by six phylogeographical lineages, each associated with specific, sympatric human populations. In an urban cosmopolitan environment, mycobacterial lineages were much more likely to spread in sympatric than in allopatric patient populations. Tuberculosis cases that did occur in allopatric hosts disproportionately involved high-risk individuals with impaired host resistance. These observations suggest that mycobacterial lineages are adapted to particular human populations. If confirmed, our findings have important implications for tuberculosis control and vaccine development.

Sebastien Gagneux and colleagues identify a set of compensatory mutations in the RNA polymerase of rifampicin-resistant M. tuberculosis by comparing the whole-genome sequences of ten paired clinical isolates and strains evolved in vitro. These mutations are associated with high competitive fitness in vitro and occur with increased clinical frequency in affected populations with a high burden of drug-resistant tuberculosis. Epidemics of drug-resistant bacteria emerge worldwide, even as resistant strains frequently have reduced fitness compared to their drug-susceptible counterparts1. Data from model systems suggest that the fitness cost of antimicrobial resistance can be reduced by compensatory mutations2; however, there is limited evidence that compensatory evolution has any significant role in the success of drug-resistant bacteria in human populations3,4,5,6. Here we describe a set of compensatory mutations in the RNA polymerase genes of rifampicin-resistant M. tuberculosis, the etiologic agent of human tuberculosis (TB). M. tuberculosis strains harboring these compensatory mutations showed a high competitive fitness in vitro. Moreover, these mutations were associated with high fitness in vivo, as determined by examining their relative clinical frequency across patient populations. Of note, in countries with the world's highest incidence of multidrug-resistant (MDR) TB7, more than 30% of MDR clinical isolates had this form of mutation. Our findings support a role for compensatory evolution in the global epidemics of MDR TB8.

Maha Farhat, Megan Murray and colleagues report whole-genome sequencing of 116 Mycobacterium tuberculosis strains selected to be representative of both global diversity and drug resistance. The authors develop a new method to search for resistance markers in microbial genomes based on reconstructing a genome-wide phylogeny and identifying regions showing convergent evolution, and they use this method to identify 39 new candidate drug resistance regions in the M. tuberculosis genome. M. tuberculosis is evolving antibiotic resistance, threatening attempts at tuberculosis epidemic control. Mechanisms of resistance, including genetic changes favored by selection in resistant isolates, are incompletely understood. Using 116 newly sequenced and 7 previously sequenced M. tuberculosis whole genomes, we identified genome-wide signatures of positive selection specific to the 47 drug-resistant strains. By searching for convergent evolution—the independent fixation of mutations in the same nucleotide position or gene—we recovered 100% of a set of known resistance markers. We also found evidence of positive selection in an additional 39 genomic regions in resistant isolates. These regions encode components in cell wall biosynthesis, transcriptional regulation and DNA repair pathways. Mutations in these regions could directly confer resistance or compensate for fitness costs associated with resistance. Functional genetic analysis of mutations in one gene, ponA1, demonstrated an in vitro growth advantage in the presence of the drug rifampicin.

According to World Health Organization statistics of 2011, infectious diseases remain in the top five causes of mortality worldwide. However, despite sophisticated research tools for microbial detection, rapid and accurate molecular diagnostics for identification of infection in humans have not been extensively adopted. Time-consuming culture-based methods remain to the forefront of clinical microbial detection. The 16S rRNA gene, a molecular marker for identification of bacterial species, is ubiquitous to members of this domain and, thanks to ever-expanding databases of sequence information, a useful tool for bacterial identification. In this study, we assembled an extensive repository of clinical isolates (n = 617), representing 30 medically important pathogenic species and originally identified using traditional culture-based or non-16S molecular methods. This strain repository was used to systematically evaluate the ability of 16S rRNA for species level identification. To enable the most accurate species level classification based on the paucity of sequence data accumulated in public databases, we built a Naïve Bayes classifier representing a diverse set of high-quality sequences from medically important bacterial organisms. We show that for species identification, a model-based approach is superior to an alignment based method. Overall, between 16S gene based and clinical identities, our study shows a genus-level concordance rate of 96% and a species-level concordance rate of 87.5%. We point to multiple cases of probable clinical misidentification with traditional culture based identification across a wide range of gram-negative rods and gram-positive cocci as well as common gram-negative cocci.

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.

To better understand genome function and evolution in Mycobacterium tuberculosis , the genomes of 100 epidemiologically well characterized clinical isolates were interrogated by DNA microarrays and sequencing. We identified 68 different large-sequence polymorphisms (comprising 186,137 bp, or 4.2% of the genome) that are present in H37Rv, but absent from one or more clinical isolates. A total of 224 genes (5.5%), including genes in all major functional categories, were found to be partially or completely deleted. Deletions are not distributed randomly throughout the genome but instead tend to be aggregated. The distinct deletions in some aggregations appear in closely related isolates, suggesting a genomically disruptive process specific to an individual mycobacterial lineage. Other genomic aggregations include distinct deletions that appear in phylogenetically unrelated isolates, suggesting that a genomic region is vulnerable throughout the species. Although the deletions identified here are evidently inessential to the causation of disease (they are found in active clinical cases), their frequency spectrum suggests that most are weakly deleterious to the pathogen. For some deletions, short-term evolutionary pressure due to the host immune system or antibiotics may favor the elimination of genes, whereas longer-term physiological requirements maintain the genes in the population.

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.

This study was designed to investigate the prevalence of members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) in the environment of pastoralists and villagers in the Iringa district, adjacent to the Ruaha National Park in Tanzania. Utilising specific qPCR assays, both Mycobacterium bovis and Mycobacterium tuberculosis were detected in cattle faeces, boma soil, water and household dust. M. bovis was also found in goat faeces and goat boma soil. This is the first report of faecal shedding of M. bovis in goats and the first molecular survey of faecal shedding in cattle. The prevalence of both bacterial species varied by village, area, season and sample type. Geographical and temporal correlations across sample types were suggestive of cross species transmission. This non-invasive test has previously been rigorously validated for screening other mammals; in this study it has successfully been applied to detect M. bovis and M. tuberculosis in livestock faeces and the environment.

The Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) causes tuberculosis (TB) in humans and various other mammals. The human-adapted members of the MTBC comprise seven phylogenetic lineages that differ in their geographical distribution. There is growing evidence that this phylogenetic diversity modulates the outcome of TB infection and disease. For decades, TB research and development has focused on the two canonical MTBC reference strains H37Rv and Erdman, both of which belong to Lineage 4. Relying on only a few laboratory-adapted strains can be misleading as study results might not be directly transferable to clinical settings where patients are infected with a diverse array of strains, including drug-resistant variants. Here, we argue for the need to expand TB research and development by incorporating the phylogenetic diversity of the MTBC. To facilitate such work, we have assembled a group of 20 genetically well-characterized clinical strains representing the seven known human-adapted MTBC lineages. With the ″MTBC clinical strains reference set″ we aim to provide a standardized resource for the TB community. We hope it will enable more direct comparisons between studies that explore the physiology of MTBC beyond the lab strains used thus far. We anticipate that detailed phenotypic analyses of this reference strain set will increase our understanding of TB biology and assist in the development of new control tools that are universally effective.