Mycobacterium tuberculosis infects two billion people across the globe, and results in 8–9 million new tuberculosis (TB) cases and 1–1.5 million deaths each year. Most patients have no known genetic basis that predisposes them to disease. Here, we investigate the complex genetic basis of pulmonary TB by modelling human genetic diversity with the Diversity Outbred mouse population. When infected with M . tuberculosis , one-third develop early onset, rapidly progressive, necrotizing granulomas and succumb within 60 days. The remaining develop non-necrotizing granulomas and survive longer than 60 days. Genetic mapping using immune and inflammatory mediators; and clinical, microbiological, and granuloma correlates of disease identified five new loci on mouse chromosomes 1, 2, 4, 16; and three known loci on chromosomes 3 and 17. Further, multiple positively correlated traits shared loci on chromosomes 1, 16, and 17 and had similar patterns of allele effects, suggesting these loci contain critical genetic regulators of inflammatory responses to M . tuberculosis . To narrow the list of candidate genes, we used a machine learning strategy that integrated gene expression signatures from lungs of M . tuberculosis- infected Diversity Outbred mice with gene interaction networks to generate scores representing functional relationships. The scores were used to rank candidates for each mapped trait, resulting in 11 candidate genes: Ncf2 , Fam20b , S100a8 , S100a9 , Itgb5 , Fstl1 , Zbtb20 , Ddr1 , Ier3 , Vegfa , and Zfp318 . Although all candidates have roles in infection, inflammation, cell migration, extracellular matrix remodeling, or intracellular signaling, and all contain single nucleotide polymorphisms (SNPs), SNPs in only four genes (S100a8 , Itgb5 , Fstl1 , Zfp318) are predicted to have deleterious effects on protein functions. We performed methodological and candidate validations to (i) assess biological relevance of predicted allele effects by showing that Diversity Outbred mice carrying PWK/PhJ alleles at the H-2 locus on chromosome 17 QTL have shorter survival; (ii) confirm accuracy of predicted allele effects by quantifying S100A8 protein in inbred founder strains; and (iii) infection of C57BL/6 mice deficient for the S100a8 gene. Overall, this body of work demonstrates that systems genetics using Diversity Outbred mice can identify new (and known) QTLs and functionally relevant gene candidates that may be major regulators of complex host-pathogens interactions contributing to granuloma necrosis and acute inflammation in pulmonary TB.

Abstract Leptospirosis (caused by pathogenic bacteria in the genus Leptospira ) is prevalent worldwide but more common in tropical and subtropical regions. Transmission can occur following direct exposure to infected urine from reservoir hosts, such as rats, or a urine-contaminated environment, which then can serve as an infection source for additional rats and other mammals, including humans. The brown rat, Rattus norvegicus , is an important reservoir of leptospirosis in urban settings. We investigated leptospirosis among brown rats in Boston, Massachusetts and hypothesized that rat dispersal in this urban setting influences the movement, persistence, and diversity of Leptospira . We analyzed DNA from 328 rat kidney samples collected from 17 sites in Boston over a seven-year period (2016–2022); 59 rats representing 12 of 17 sites were positive for Leptospira . We used 21 neutral microsatellite loci to genotype 311 rats and utilized the resulting data to investigate genetic connectivity among sampling sites. We generated whole genome sequences for 28 Leptospira isolates obtained from frozen and fresh tissue from some of the 59 Leptospira -positive rat kidneys. When isolates were not obtained, we attempted Leptospira genomic DNA capture and enrichment, which yielded 14 additional Leptospira genomes from rats. We also generated an enriched Leptospira genome from a 2018 human case in Boston. We found evidence of high genetic structure and limited dispersal among rat populations that is likely influenced by major roads and/or other unknown dispersal barriers, resulting in distinct rat population groups within the city; at certain sites these groups persisted for multiple years. We identified multiple distinct phylogenetic clades of L. interrogans among rats, with specific clades tightly linked to distinct rat populations. This pattern suggests L. interrogans persists in local rat populations and movement of leptospirosis in this urban rat community is driven by rat dispersal. Finally, our genomic analyses of the 2018 human leptospirosis case in Boston suggests a link to rats as the source. These findings will be useful for guiding rat control and human leptospirosis mitigation efforts in this and other urban settings.

ABSTRACT Mycobacterium tuberculosis, the bacillus that causes tuberculosis (TB), infects 2 billion people across the globe, and results in 8-9 million new TB cases and 1-1.5 million deaths each year. Most patients have no known genetic basis that predisposes them to disease. We investigated the complex genetic basis of pulmonary TB by modelling human genetic diversity with the Diversity Outbred mouse population. When infected with M. tuberculosis , one-third develop early onset, rapidly progressive, necrotizing granulomas and succumb within 60 days. The remaining develop non-necrotizing granulomas and survive longer than 60 days. Genetic mapping using clinical indicators of disease, granuloma histopathological features, and immune response traits identified five new loci on mouse chromosomes 1, 2, 4, 16 and three previously identified loci on chromosomes 3 and 17. Quantitative trait loci (QTLs) on chromosomes 1, 16, and 17, associated with multiple correlated traits and had similar patterns of allele effects, suggesting these QTLs contain important genetic regulators of responses to M. tuberculosis . To narrow the list of candidate genes in QTLs, we used a machine learning strategy that integrated gene expression signatures from lungs of M. tuberculosis- infected Diversity Outbred mice with gene interaction networks, generating functional scores. The scores were then used to rank candidates for each mapped trait in each locus, resulting in 11 candidates: Ncf2, Fam20b, S100a8, S100a9, Itgb5, Fstl1, Zbtb20, Ddr1, Ier3, Vegfa, and Zfp318 . Importantly, all 11 candidates have roles in infection, inflammation, cell migration, extracellular matrix remodeling, or intracellular signaling. Further, all candidates contain single nucleotide polymorphisms (SNPs), and some but not all SNPs were predicted to have deleterious consequences on protein functions. Multiple methods were used for validation including (i) a statistical method that showed Diversity Outbred mice carrying PWH/PhJ alleles on chromosome 17 QTL have shorter survival; (ii) quantification of S100A8 protein levels, confirming predicted allele effects; and (iii) infection of C57BL/6 mice deficient for the S100a8 gene. Overall, this work demonstrates that systems genetics using Diversity Outbred mice can identify new (and known) QTLs and new functionally relevant gene candidates that may be major regulators of granuloma necrosis and acute inflammation in pulmonary TB.

Abstract The Bacillus Calmette-Guérin (BCG) vaccine, the only vaccine against tuberculosis, induces cross-protection against pathogens unrelated to Mycobacterium , including viruses. Epidemiological studies have identified potential benefits of BCG vaccination against SARS-CoV-2 infection. While BCG’s heterologous effects have been widely attributable to trained immunity , we hypothesized BCG vaccination could induce cross-reactive antibodies against the spike protein of SARS-CoV-2 Wuhan-Hu-1. The concentration of IgG reactive to SARS-CoV-2 spike protein from the sera of BCG-vaccinated, Diversity Outbred (DO) mice and C57BL/6J inbred mice was measured using ELISA. Sera from 10/15 BCG-vaccinated DO mice possessed more IgG reactive to recombinant spike protein than sera from BCG-vaccinated C57BL/6J mice and unvaccinated DO mice. Amino acid sequences common to BCG cell wall/membrane proteins and SARS-CoV-2 spike protein were identified as potential antigen candidates for future study. These results imply a humoral mechanism, influenced by genotype, by which BCG vaccination could confer immunity to SARS-CoV-2. Graphic Abstract