Mycobacterium species, including Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium leprae, are among the most potent human bacterial pathogens. The discovery of cytosolic mycobacteria challenged the paradigm that these pathogens exclusively localize within the phagosome of host cells. As yet the biological relevance of mycobacterial translocation to the cytosol remained unclear. In this current study we used electron microscopy techniques to establish a clear link between translocation and mycobacterial virulence. Pathogenic, patient-derived mycobacteria species were found to translocate to the cytosol, while non-pathogenic species did not. We were further able to link cytosolic translocation with pathogenicity by introducing the ESX-1 (type VII) secretion system into the non-virulent, exclusively phagolysosomal Mycobacterium bovis BCG. Furthermore, we show that translocation is dependent on the C-terminus of the early-secreted antigen ESAT-6. The C-terminal truncation of ESAT-6 was shown to result in attenuation in mice, again linking translocation to virulence. Together, these data demonstrate the molecular mechanism facilitating translocation of mycobacteria. The ability to translocate from the phagolysosome to the cytosol is with this study proven to be biologically significant as it determines mycobacterial virulence.

The cell envelope of mycobacteria, a group of Gram positive bacteria, is composed of a plasma membrane and a Gram-negative-like outer membrane containing mycolic acids. In addition, the surface of the mycobacteria is coated with an ill-characterized layer of extractable, non-covalently linked glycans, lipids and proteins, collectively known as the capsule, whose occurrence is a matter of debate. By using plunge freezing cryo-electron microscopy technique, we were able to show that pathogenic mycobacteria produce a thick capsule, only present when the cells were grown under unperturbed conditions and easily removed by mild detergents. This detergent-labile capsule layer contains arabinomannan, α-glucan and oligomannosyl-capped glycolipids. Further immunogenic and proteomic analyses revealed that Mycobacterium marinum capsule contains high amounts of proteins that are secreted via the ESX-1 pathway. Finally, cell infection experiments demonstrated the importance of the capsule for binding to cells and dampening of pro-inflammatory cytokine response. Together, these results show a direct visualization of the mycobacterial capsular layer as a labile structure that contains ESX-1-secreted proteins.

Abstract Mycobacterium tuberculosis infections claim more than a million lives each year and better treatments or vaccines are required. A crucial pathogenicity factor is translocation from the phago-lysosomes to the cytosol upon phagocytosis by macrophages. The translocation from the phago-lysosome into the cytosol is an ESX-1 dependent process as previously shown in vitro . Here we show that in vivo , mycobacteria also translocate to the cytosol but mainly when host immunity is compromised. We observed only low numbers of cytosolic bacilli in mice, armadillo, zebrafish and patient material infected with M. tuberculosis, M. marinum or M. leprae . In contrast, when innate or adaptive immunity was compromised, as in SCID or IL-1R1 deficient mice, a significant number of cytosolic M. tuberculosis bacilli were detected in lungs of infected mice. Taken together, M. tuberculosis infection is controlled by adaptive immune responses as well as IL-1R1-mediated signals that result in clearance of cells containing cytosolic mycobacteria in vivo . Importance For decades, Mycobacterium tuberculosis is one of the deathliest pathogens known. Despite infecting approximately one third of the human population, no effective treatment or vaccine is available. A crucial pathogenicity factor is the subcellular localization, as M. tuberculosis can translocate from the phago-lysosome to the cytosol in macrophages. The situation in vivo is more complicated. In this study we establish that high level cytosolic escape of mycobacteria can indeed occur in vivo , but mainly when host resistance is compromised. The IL-1 pathway is crucial for the control of the number of cytosolic mycobacteria. The establishment that immune signals result in clearance of cells containing cytosolic mycobacteria, connects two important fields: cell-biology and immunology which is vital for the understanding of the pathology of M. tuberculosis .