ABSTRACT A whole genome co-expression network was created using Mycobacterium tuberculosis transcriptomic data from publicly available RNA-sequencing experiments covering a wide variety of experimental conditions. The network includes expressed regions with no formal annotation, including putative short RNAs and untranslated regions of expressed transcripts, along with the protein-coding genes. These unannotated expressed transcripts were among the best-connected members of the module sub-networks, making up more than half of the ‘hub’ elements in modules that include protein-coding genes known to be part of regulatory systems involved in stress response and host adaptation. This dataset provides a valuable resource for investigating the role of non-coding RNA, and conserved hypothetical proteins, in transcriptomic remodelling. Based on their connections to genes with known functional groupings and correlations with replicated host conditions, predicted expressed transcripts can be screened as suitable candidates for further experimental validation.

Abstract Efflux of antibiotics is a survival strategy in bacteria. Mycobacterium tuberculosis has approximately sixty efflux pumps, but little is known about the role of each pump, or which moieties that they efflux. The putative efflux pump, EfpA, is a member of the major facilitator superfamily that has been shown to be essential by saturation transposon mutagenesis studies. It has been implicated in the efflux of the frontline drug isoniazid (INH) in M. tuberculosis . This is supported by evidence from transcriptional profiling that efpA is induced in response to INH exposure. However, its role in physiology and adaptation of M. tuberculosis to antibiotics, have yet to be determined. Here, we describe the repression of efpA using CRISPR interference and the direct effect of this on the ability of M. tuberculosis to survive exposure to INH over a 45-day time-course. We determined that wild-type levels of efpA were required for the recovery of M. tuberculosis cultures following INH exposure and that, after 45-days of INH exposure, no viable colonies were recoverable from efpA -repressed M. tuberculosis cultures. We postulate that EfpA is required for the recovery of M. tuberculosis following INH-exposure and that EfpA may have a role in the development of resistance, during treatment and contributes to relapse in patients.

Abstract Tuberculosis has severe impacts in both humans and animals. Understanding the genetic basis of survival of both Mycobacterium tuberculosis , the human adapted species, and Mycobacterium bovis , the animal adapted species is crucial to deciphering the biology of both pathogens. There are several studies that identify the genes required for survival of M. tuberculosis in vivo using mouse models, however, there are currently no studies probing the genetic basis of survival of M. bovis in vivo. In this study we utilise transposon insertion sequencing in M. bovis to determine the genes required for survival in cattle. We identify genes encoding established mycobacterial virulence functions such as the ESX-1 secretion system, PDIM synthesis, mycobactin synthesis and cholesterol catabolism that are required in vivo . We show that, as in M. tuberculosis, phoPR is required by M. bovis in vivo despite the known defect in signalling through this system. Comparison to studies performed in glycerol adapted species such as M. bovis BCG and M. tuberculosis suggests that there are differences in the requirement for genes involved in cholesterol import ( mce4 operon), oxidation ( hsd ) and detoxification ( cyp125 ). We report good correlation with existing mycobacterial virulence functions, but also find several novel virulence factors, including genes involved in protein mannosylation, aspartate metabolism and glycerol-phosphate metabolism. These findings further extend our knowledge of the genetic basis of survival in vivo in bacteria that cause tuberculosis and provide insight for the development of novel diagnostics and therapeutics. Importance This is the first report of the genetic requirements of an animal adapted member of the MTBC in a natural host. M. bovis has devastating impacts in cattle and bovine tuberculosis is a considerable economic, animal welfare and public health concern. The data highlight the importance of mycobacterial cholesterol catabolism and identifies several new virulence factors. Additionally, the work informs the development of novel differential diagnostics and therapeutics for TB in both human and animal populations.

Abstract Members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) show distinct host adaptations, preferences and phenotypes despite being >99% identical at the nucleic acid level. Previous studies have explored gene expression changes between the members, however few studies have probed differences in gene essentiality. To better understand the functional impacts of the nucleic acid differences between Mycobacterium bovis and Mycobacterium tuberculosis we used the Mycomar T7 phagemid delivery system to generate whole genome transposon libraries in laboratory strains of both species and compared the essentiality status of genes during growth under identical in vitro conditions. Libraries contained insertions in 54% of possible TA sites in M. bovis and 40% of those present in M. tuberculosis , achieving similar saturation levels to those previously reported for the MTBC. The distributions of essentiality across the functional categories were similar in both species. 527 genes were found to be essential in M. bovis whereas 477 genes were essential in M. tuberculosis and 370 essential genes were common in both species. CRISPRi was successfully utilised in both species to determine the impacts of silencing genes including wag31 , a gene involved in peptidoglycan synthesis and Rv2182c / Mb2204c , a gene involved in glycerophospholipid metabolism. We observed species specific differences in the response to gene silencing, with the inhibition of expression of Mb2204c in M. bovis showing significantly less growth impact than silencing its ortholog ( Rv2182c ) in M. tuberculosis . Given that glycerophospholipid metabolism is a validated pathway for antimicrobials, our observations suggest that target vulnerability in the animal adapted lineages cannot be assumed to be the same as the human counterpart. This is of relevance for zoonotic tuberculosis as it implies that the development of antimicrobials targeting the human adapted lineage might not necessarily be effective against the animal adapted lineage. The generation of a transposon library and the first reported utilisation of CRISPRi in M. bovis will enable the use of these tools to further probe the genetic basis of survival under disease relevant conditions.

ABSTRACT During infection Mycobacterium tuberculosis (Mtb) forms differentially culturable (DC) subpopulations that are recalcitrant to treatment and undetectable using standard diagnostic tools. DC Mtb are revealed in liquid media, their revival is often stimulated by resuscitation-promoting factors (Rpfs), secreted peptidoglycan-remodelling enzymes, and prevented by Rpf inhibitors. Here we investigated the role of nitric oxide (NO) in generation of Rpf- dependent DC Mtb, using murine macrophage infection models and treatment with a synthetic NO donor (NOD). Mtb subpopulations were assessed by colony-forming unit counting on agar or by limiting dilution Most Probable Number assays in liquid media with or without Rpf inhibitor. Rpf-dependent DC Mtb were detected following infection of interferon-γ induced macrophages capable of producing NO, but not when iNOS was inactivated. NOD treatment also induced transition to the Rpf-dependent DC phenotype which was accompanied by global transcriptomic changes resulting in the dramatic down-regulation of rpfA-E gene expression. Furthermore, the DC phenotype was partially reverted by artificial over-expression of Rpfs. This study elucidates molecular mechanisms underlying the generation of DC Mtb, which are the dominant population recovered from clinical tuberculosis samples, with implications for improving both tuberculosis diagnostics and treatments.