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.

Ceftriaxone remains a first-line treatment for patients infected by Neisseria gonorrhoeae in most settings. We investigated the possible spread of a ceftriaxone-resistant FC428 N. gonorrhoeae clone in Japan after recent isolation of similar strains in Denmark (GK124) and Canada (47707). We report 2 instances of the FC428 clone in Australia in heterosexual men traveling from Asia. Our bioinformatic analyses included core single-nucleotide variation phylogeny and in silico molecular typing; phylogenetic analysis showed close genetic relatedness among all 5 isolates. Results showed multilocus sequence type 1903; N. gonorrhoeae sequence typing for antimicrobial resistance (NG-STAR) 233; and harboring of mosaic penA allele encoding alterations A311V and T483S (penA-60.001), associated with ceftriaxone resistance. Our results provide further evidence of international transmission of ceftriaxone-resistant N. gonorrhoeae. We recommend increasing awareness of international spread of this drug-resistant strain, strengthening surveillance to include identifying treatment failures and contacts, and strengthening international sharing of data.

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 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 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.

ABSTRACT The promising diagnostic performance of molecular testing for syphilis using saliva and urine samples has been reported; however, further evaluation of its possible application for diagnosis and molecular surveillance is required. In addition, the development of a rapid and easy-to-perform molecular test for syphilis is important for its use in the clinical setting. We comprehensively evaluated the diagnostic and surveillance performance of two novel loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assays using saliva and urine samples. Saliva, urine, and whole blood were collected from patients who underwent serological testing for syphilis at outpatient clinics. Treponema pallidum DNA in specimens was detected using quantitative PCR (qPCR), nested PCR, and novel LAMP assays. T. pallidum genotyping was conducted by multi-locus sequence typing (MLST). Of the 163 patients recruited, 98 were diagnosed with syphilis (primary: n = 35; secondary: n = 40; latent: n = 23). qPCR showed the highest sensitivity among the molecular tests performed with a sensitivity of 54.1% and 30.3% for all syphilis patients using saliva and urine samples, respectively. A novel method of LAMP combined with dry reagents and crude DNA extraction (Dry-LAMP) showed a probit detection limit of 37.4 copies/reaction within 45 min. The agreement rate between Dry-LAMP and qPCR for saliva was 95.7% ( κ coefficient 0.90). The T. pallidum genotype was identified in 48 patients by MLST using saliva samples. Molecular analysis of saliva could be used as a supplementary diagnostic test for syphilis and molecular surveillance of the T. pallidum genotype. Dry-LAMP is expected to be helpful in the clinical diagnosis of syphilis.

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.