Bacille Calmette-Guérin (BCG) vaccines are live attenuated strains of Mycobacterium bovis administered to prevent tuberculosis. To better understand the differences between M. tuberculosis , M. bovis , and the various BCG daughter strains, their genomic compositions were studied by performing comparative hybridization experiments on a DNA microarray. Regions deleted from BCG vaccines relative to the virulent M. tuberculosis H37Rv reference strain were confirmed by sequencing across the missing segment of the H37Rv genome. Eleven regions (encompassing 91 open reading frames) of H37Rv were found that were absent from one or more virulent strains of M. bovis . Five additional regions representing 38 open reading frames were present in M. bovis but absent from some or all BCG strains; this is evidence for the ongoing evolution of BCG strains since their original derivation. A precise understanding of the genetic differences between closely related Mycobacteria suggests rational approaches to the design of improved diagnostics and vaccines.

Modern strains of Mycobacterium tuberculosis from the Americas are closely related to those from Europe, supporting the assumption that human tuberculosis was introduced post-contact. This notion, however, is incompatible with archaeological evidence of pre-contact tuberculosis in the New World. Comparative genomics of modern isolates suggests that M. tuberculosis attained its worldwide distribution following human dispersals out of Africa during the Pleistocene epoch, although this has yet to be confirmed with ancient calibration points. Here we present three 1,000-year-old mycobacterial genomes from Peruvian human skeletons, revealing that a member of the M. tuberculosis complex caused human disease before contact. The ancient strains are distinct from known human-adapted forms and are most closely related to those adapted to seals and sea lions. Two independent dating approaches suggest a most recent common ancestor for the M. tuberculosis complex less than 6,000 years ago, which supports a Holocene dispersal of the disease. Our results implicate sea mammals as having played a role in transmitting the disease to humans across the ocean.

The tuberculosis (TB) vaccine bacille Calmette-Guérin (BCG) is a live attenuated organism, but the mutation responsible for its attenuation has never been defined. Recent genetic studies identified a single DNA region of difference, RD1, which is absent in all BCG strains and present in all Mycobacterium tuberculosis (MTB) strains. The 9 open-reading frames predicted within this 9.5-kb region are of unknown function, although they include the TB-specific immunodominant antigens ESAT-6 and CFP-10. In this study, RD1 was deleted from MTB strain H37Rv, and virulence of H37Rv:DeltaRD1 was assessed after infections of the human macrophage-like cell line THP-1, human peripheral blood monocyte-derived macrophages, and C57BL/6 mice. In each of these systems, the H37Rv:DeltaRD1 strain was strikingly less virulent than MTB and was very similar to BCG controls. Therefore, it was concluded that genes within or controlled by RD1 are essential for MTB virulence and that loss of RD1 was important in BCG attenuation.

Madhu Pai and colleagues introduce the BCG World Atlas, an open access, user friendly Web site for TB clinicians to discern global BCG vaccination policies and practices and improve the care of their patients.

To understand the evolution, attenuation, and variable protective efficacy of bacillus Calmette–Guérin (BCG) vaccines, Mycobacterium bovis BCG Pasteur 1173P2 has been subjected to comparative genome and transcriptome analysis. The 4,374,522-bp genome contains 3,954 protein-coding genes, 58 of which are present in two copies as a result of two independent tandem duplications, DU1 and DU2. DU1 is restricted to BCG Pasteur, although four forms of DU2 exist; DU2-I is confined to early BCG vaccines, like BCG Japan, whereas DU2-III and DU2-IV occur in the late vaccines. The glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene, glpD2 , is one of only three genes common to all four DU2 variants, implying that BCG requires higher levels of this enzyme to grow on glycerol. Further amplification of the DU2 region is ongoing, even within vaccine preparations used to immunize humans. An evolutionary scheme for BCG vaccines was established by analyzing DU2 and other markers. Lesions in genes encoding σ-factors and pleiotropic transcriptional regulators, like PhoR and Crp, were also uncovered in various BCG strains; together with gene amplification, these affect gene expression levels, immunogenicity, and, possibly, protection against tuberculosis. Furthermore, the combined findings suggest that early BCG vaccines may even be superior to the later ones that are more widely used.

Tuberculosis Vaccine Conundrum Some children experience severe clinical disease when they are vaccinated against tuberculosis, an attenuated live vaccine that is normally innocuous in humans. Several germline mutations have been identified that account for this susceptibility, and now Bogunovic et al. (p. 1684 , published online 2 August) add another to the list— ISG15 . Uncovering this mutation, which is inherited in an autosomal recessive manner, was a surprise because studies with mice deficient in ISG15 showed enhanced susceptibility to some viral, but not bacterial, infections. Nevertheless, patients lacking ISG15 were not able to produce adequate amounts of interferon-γ, a cytokine critical for clearance of the bacteria.

Rationale: In a high–tuberculosis (TB) incidence area of Cape Town, South Africa, there is a very high rate of unexplained recurrent TB. The incidence of new bacteriologically confirmed disease in the area is 313 per 100,000 individuals. Objective: To estimate the rate of recurrent TB attributable to reinfection after successful treatment. Methods: All patients with reported TB in the area between 1993 and 1998 were followed up to 2001 for disease needing retreatment (recurrences). Patients who were multi-drug–resistant or who had treatment failure, were transferred, or died during treatment were excluded. Analysis was restricted to patients for whom DNA fingerprinting of their Mycobacterium tuberculosis isolates was obtained. Reinfection TB was defined as a recurrent TB episode in which the strains of the separate episodes differed by more than four bands. Measurements and Main Results: 612 of 897 (68%) patients had a DNA fingerprint available at enrollment. Median duration of follow-up was 5.2 years. Recurrent TB occurred in 108 of 612 (18%) patients, of whom 61 of 447 (14%) experienced recurrence after successful treatment, and 47 of 165 (28%) experience recurrence after default. Of the 108 patients with recurrent TB, 68 (63%) had a DNA fingerprint in the second episode. Among these patients, 24 of 31 (77%) recurrences after successful treatment and 4 of 37 (11%) recurrences after default were attributable to reinfection. The reinfection disease rate after successful treatment was estimated at 2.2 per 100 person-years. Conclusions: The age-adjusted incidence rate of TB attributable to reinfection after successful treatment was four times that of new TB. People who had TB once are at a strongly increased risk of developing TB when reinfected.

Vitamin D signaling through its nuclear vitamin D receptor has emerged as a key regulator of innate immunity in humans. Here we show that hormonal vitamin D, 1,25-dihydroxyvitamin D3, robustly stimulates expression of pattern recognition receptor NOD2/CARD15/IBD1 gene and protein in primary human monocytic and epithelial cells. The vitamin D receptor signals through distal enhancers in the NOD2 gene, whose function was validated by chromatin immunoprecipitation and chromatin conformation capture assays. A key downstream signaling consequence of NOD2 activation by agonist muramyl dipeptide is stimulation of NF-κB transcription factor function, which induces expression of the gene encoding antimicrobial peptide defensin β2 (DEFB2/HBD2). Pretreatment with 1,25-dihydroxyvitamin D3 synergistically induced NF-κB function and expression of genes encoding DEFB2/HBD2 and antimicrobial peptide cathelicidin in the presence of muramyl dipeptide. Importantly, this synergistic response was also seen in macrophages from a donor wild type for NOD2 but was absent in macrophages from patients with Crohn disease homozygous for non-functional NOD2 variants. These studies provide strong molecular links between vitamin D deficiency and the genetics of Crohn disease, a chronic incurable inflammatory bowel condition, as Crohn’s pathogenesis is associated with attenuated NOD2 or DEFB2/HBD2 function. Vitamin D signaling through its nuclear vitamin D receptor has emerged as a key regulator of innate immunity in humans. Here we show that hormonal vitamin D, 1,25-dihydroxyvitamin D3, robustly stimulates expression of pattern recognition receptor NOD2/CARD15/IBD1 gene and protein in primary human monocytic and epithelial cells. The vitamin D receptor signals through distal enhancers in the NOD2 gene, whose function was validated by chromatin immunoprecipitation and chromatin conformation capture assays. A key downstream signaling consequence of NOD2 activation by agonist muramyl dipeptide is stimulation of NF-κB transcription factor function, which induces expression of the gene encoding antimicrobial peptide defensin β2 (DEFB2/HBD2). Pretreatment with 1,25-dihydroxyvitamin D3 synergistically induced NF-κB function and expression of genes encoding DEFB2/HBD2 and antimicrobial peptide cathelicidin in the presence of muramyl dipeptide. Importantly, this synergistic response was also seen in macrophages from a donor wild type for NOD2 but was absent in macrophages from patients with Crohn disease homozygous for non-functional NOD2 variants. These studies provide strong molecular links between vitamin D deficiency and the genetics of Crohn disease, a chronic incurable inflammatory bowel condition, as Crohn’s pathogenesis is associated with attenuated NOD2 or DEFB2/HBD2 function.

Tuberculosis has a much shorter incubation period than is widely thought, say Marcel A Behr and colleagues, and this has implications for prioritising research and public health strategies

While the recognition of microbial infection often occurs at the cell surface via Toll-like receptors, the cytosol of the cell is also under surveillance for microbial products that breach the cell membrane. An important outcome of cytosolic recognition is the induction of IFNα and IFNβ, which are critical mediators of immunity against both bacteria and viruses. Like many intracellular pathogens, a significant fraction of the transcriptional response to Mycobacterium tuberculosis infection depends on these type I interferons, but the recognition pathways responsible remain elusive. In this work, we demonstrate that intraphagosomal M. tuberculosis stimulates the cytosolic Nod2 pathway that responds to bacterial peptidoglycan, and this event requires membrane damage that is actively inflicted by the bacterium. Unexpectedly, this recognition triggers the expression of type I interferons in a Tbk1- and Irf5-dependent manner. This response is only partially impaired by the loss of Irf3 and therefore, differs fundamentally from those stimulated by bacterial DNA, which depend entirely on this transcription factor. This difference appears to result from the unusual peptidoglycan produced by mycobacteria, which we show is a uniquely potent agonist of the Nod2/Rip2/Irf5 pathway. Thus, the Nod2 system is specialized to recognize bacteria that actively perturb host membranes and is remarkably sensitive to mycobacteria, perhaps reflecting the strong evolutionary pressure exerted by these pathogens on the mammalian immune system.