Abstract The Lineage 2–Beijing (L2–Beijing) sub-lineage of Mycobacterium tuberculosis has received much attention due to its high virulence, fast disease progression, and association with antibiotic resistance. Despite several reports of the recent emergence of L2–Beijing in Africa, no study has investigated the evolutionary history of this sub-lineage on the continent. In this study, we used whole genome sequences of 817 L2 clinical strains from 14 geographical regions globally distributed to investigate the origins and onward spread of this lineage in Africa. Our results reveal multiple introductions of L2–Beijing into Africa linked to independent bacterial populations from East-and Southeast Asia. Bayesian analyses further indicate that these introductions occurred during the past 300 years, with most of these events pre-dating the antibiotic era. Hence, the success of L2–Beijing in Africa is most likely due to its hypervirulence and high transmissibility rather than drug resistance.

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.

Human tuberculosis is caused by members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) and presents variable disease outcomes. The variation has primarily been attributed to host and environmental factors, but recent evidence indicates an additional role of genetic diversity among MTBC clinical strains. Here, we used metabolomics to unravel the potential role of genetic variations in conferring strain-specific adaptive capacity and vulnerability. To systematically identify functionality of single nucleotide polymorphisms (SNPs), we developed a constraint-based approach that integrates metabolomic and genomic data. Model-based predictions were systematically tested against independent metabolome data; they correctly classified SNP effects in pyruvate kinase and suggested a genetic basis for strain-specific sensitivity to the antibiotic para-aminosalicylic acid. Our method is broadly applicable to mutations in enzyme-encoding genes across microbial life, opening new possibilities for identifying strain-specific metabolic vulnerabilities that could lead to more selective treatment strategies.

Fluoroquinolones (FQ) form the backbone in experimental treatment regimens against drug-susceptible tuberculosis. However, little is known on whether the genetic variation present in natural populations of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) affects the evolution of FQ-resistance (FQ-R). To investigate this question, we used a set of Mtb strains that included nine genetically distinct drug-susceptible clinical isolates, and measured their frequency of resistance to the FQ ofloxacin (OFX) in vitro. We found that the Mtb genetic background led to differences in the frequency of OFX-resistance (OFX-R) that spanned two orders of magnitude and substantially modulated the observed mutational profiles for OFX-R. Further in vitro assays showed that the genetic background also influenced the minimum inhibitory concentration and the fitness effect conferred by a given OFX-R mutation. To test the clinical relevance of our in vitro work, we surveyed the mutational profile for FQ-R in publicly available genomic sequences from clinical Mtb isolates, and found substantial Mtb lineage-dependent variability. Comparison of the clinical and the in vitro mutational profiles for FQ-R showed that 45% and 19% of the variability in the clinical frequency of FQ-R gyrA mutations in Lineage 2 and Lineage 4 strains, respectively, can be attributed to how Mtb evolves FQ-R in vitro. As the Mtb genetic background strongly influenced the evolution of FQ-R in vitro, we conclude that the genetic background of Mtb also impacts the evolution of FQ-R in the clinic.

Background: Human tuberculosis (TB) is caused by seven phylogenetic lineages of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC), Lineage 1–7. Recent advances in rapid genotyping of MTBC based on single nucleotide polymorphisms (SNP), allow for rapid and phylogenetically robust strain classification, paving the way for defining genotype-phenotype relationships in clinical settings. Such studies have revealed that, in addition to host and environmental factors, different strains of the MTBC influence the outcome of TB infection and disease. In Tanzania, such molecular epidemiological studies of TB however are scarce in spite of a high TB burden. Methods and Findings: Here we used a SNP-typing method to genotype a nationwide collection of 2,039 MTBC clinical isolates obtained from new and retreatment TB cases diagnosed in 2012 and 2013. Four lineages, namely Lineage 1–4 were identified. The distribution and frequency of these lineages varied across the regions but overall, Lineage 4 was the most frequent (n = 866, 42.5%), followed by Lineage 3 (n = 681, 33.4%) and 1 (n = 336, 16.5%), with Lineage 2 being the least frequent (n = 92, 4.5%). A total of 64 (3.1%) isolates could not be assigned to any lineage. We found Lineage 2 to be associated with female sex (adjusted odds ratio [aOR] 2.25; 95% confidence interval [95% CI] 1.38 – 3.70, p < 0.001) and retreatment (aOR 1.78; 95% CI 1.00 – 3.02, p = 0.040). We found no associations between MTBC lineage and patient age or HIV status. Our sublineage typing based on spacer oligotyping revealed the presence of mainly EAI, CAS and LAM families. Finally, we detected low levels of multidrug resistant isolates among a subset of retreatment cases Conclusions: This study provides novel insights into the influence of pathogen–related factors on the TB epidemic in Tanzania.

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.

The Mycobacterium tuberculosis (Mtb) complex comprises seven phylogenetically distinct human-adapted lineages exhibiting different geographical distribution and degrees of pathogenicity. Among these, Lineage 1 (L1) has been associated with low virulence whereas Lineage 2 (L2) has been linked to hyper-virulence, enhanced transmission and drug resistance. Here, we conducted multi-layer comparative analyses using whole genome sequencing data combined with quantitative transcriptomic and proteomic profiling of a set of L1 and L2 clinical strains, each grown under two different conditions in vitro. Our data revealed different degrees of correlation between transcript and protein abundances across clinical strains and functional gene categories, indicating variable levels of post-transcriptional regulation in the tested lineages. Contrasting genomic and gene expression data showed that the magnitude of the transcriptional and translational changes was proportional to the phylogenetic distance between strains, with one out of three single nucleotide polymorphisms leading to a transcriptional and/or translational change on average. We devised a new genome-scale transcriptional regulatory model and identified several master transcription factors, strongly linked to the sigma factor network, whose targets were differentially regulated between the two lineages. These differences resulted in a higher basal expression of DosR proteins and a stronger response to nitric oxide (NO) exposure in L2 compared to L1. These patterns are most likely responsible for the shorter NO-induced growth arrest in L2 observed. Given the limited genetic variation between strains, it appears that phenotypic differences in Mtb are substantially driven by differences in the regulation of biochemical networks through master transcriptional regulators.

Antimicrobial resistance poses a threat to global health and the economy. It is widely accepted that, in the absence of antibiotics, drug resistance mutations carry a fitness cost. In the case of rifampicin resistance in fast-growing bacteria, this cost stems from a reduced transcription rate of the RNA polymerase resulting in slower ribosome biosynthesis. However, this relationship does not apply in the slow-growing Mycobacterium tuberculosis, where the true mechanism of fitness cost of rifampicin resistance as well as the impact of compensatory evolution remain unknown. Here we show, using global transcriptomic and proteomic profiling of selected M. tuberculosis mutants and clinical strains, that the fitness cost of rifampicin resistance in M. tuberculosis is the result of the physiological burden caused by aberrant gene expression. We further show that the perceived burden can be increased, effectively suppressing the emergence of drug resistance.