Abstract and Keywords Aims Infective endocarditis (IE) complicates 10-20% of Staphylococcus aureus bacteraemia (SAB). We aimed to determine whether IE strains of S. aureus are genotypically different or behave differently in experimental endocarditis models as compared to non-IE SAB strains. Methods and Results We conducted a genome wide association study (GWAS) of 924 S. aureus genomes from IE (274) and non-IE (650) SAB patients, and tested a subset of strains in two experimental animal models of IE, one studying the early step of bacterial adhesion to inflamed mice valves, the second evaluating the local and systemic developmental process of IE on mechanically damaged rabbit valves. The genetic profile of S. aureus IE and non-IE SAB strains did not differ when considering single nucleotide polymorphisms, coding sequences and k-mers analyses in GWASs. In the inflammation-induced IE model in mice no difference was observed between IE and non-IE SAB strains both in adhesion to the cardiac valves and in the propensity to cause IE; in the mechanical IE-induced rabbit model, there was no difference between IE and non-IE SAB strains regarding vegetation size and CFU. Conclusion S. aureus isolates from SAB patients with and without IE were indistinguishable, by GWAS and by two in vivo models of IE. Thus, S. aureus strain variation is not the primary determinant of IE. Pending the possible identification of host factors predisposing to IE, all strains of S. aureus must be considered in patients as capable of causing this common, lethal infection once they have accessed the bloodstream. Translational Perspective Staphylococcus aureus endocarditis (IE) is a deadly complication of S. aureus bacteraemia (SAB). Beyond well-identified host related IE risk factors, whether bacterial features may influence the occurrence of IE in the course of bacteraemia remain elusive. We analysed the genomes of 924 S. aureus strains from IE and non-IE SAB and compared some in two in vivo IE models. We demonstrated that the propensity of S. aureus to cause IE in the course of bacteraemia does not depend on the intrinsic genetic or virulence factors of S. aureus . These findings are of importance for the management of S. aureus bacteraemia.

Acquired mutations are a major mechanism of bacterial antibiotic resistance generation and dissemination, and can arise during treatment of infections. Early detection of sub-populations of resistant bacteria harbouring defined resistance mutations could prevent inappropriate antibiotic prescription. Here we present RM-seq, a new amplicon-based DNA sequencing work-flow based on single molecule barcoding coupled with deep-sequencing that enables the high-throughput characterisation and sensitive detection of resistance mutations from complex mixed populations of bacteria. We show that RM-seq reduces both background sequencing noise and PCR amplification bias and allows highly sensitive identification and accurate quantification of antibiotic resistant sub-populations, with relative allele frequencies as low as 10-4. We applied RM-seq to identify and quantify rifampicin resistance mutations in Staphylococcus aureus using pools of 10,000 in vitro selected clones and identified a large number of previously unknown resistance-associated mutations. Targeted mutagenesis and phenotypic resistance testing was used to validate the technique and demonstrate that RM-seq can be used to link subsets of mutations with clinical resistance breakpoints at high-throughput using large pools of in vitro selected resistant clones. Differential analysis of the abundance of resistance mutations after a selection bottleneck detected antimicrobial cross-resistance and collateral sensitivity-conferring mutations. Using a mouse infection model and human clinical samples, we also demonstrate that RM-seq can be effectively applied in vivo to track complex mixed populations of S. aureus and another major human pathogen, Mycobacterium tuberculosis during infections. RM-seq is a powerful new tool to both detect and functionally characterise mutational antibiotic resistance.

Background: Large-scale genomic studies of within-host evolution during Staphylococcus aureus bacteraemia (SAB) are needed to understanding bacterial adaptation underlying persistence and thus refining the role of genomics in management of SAB. However, available comparative genomic studies of sequential SAB isolates have tended to focus on selected cases of unusually prolonged bacteraemia, where secondary antimicrobial resistance has developed. To understand the bacterial genomic evolution during SAB more broadly, we applied whole genome sequencing to a large collection of sequential isolates obtained from patients with persistent or relapsing bacteraemia. Results: We show that, while adapation pathways are heterogenous and episode-specific, isolates from persistent bacteraemia have a distinctive molecular signature, characterised by a low mutation frequency and high proportion of non-silent mutations. By performing an extensive analysis of structural genomic variants in addition to point mutations, we found that these often overlooked genetic events are commonly acquired during SAB. We discovered that IS256 insertion may represent the most effective driver of within-host microevolution in selected lineages, with up to three new insertion events per isolate even in the absence of other mutations. Genetic mechanisms resulting in significant phenotypic changes, such as increases in vancomycin resistance, development of small colony phenotypes, and decreases in cytotoxicity, included mutations in key genes (rpoB, stp, agrA) and an IS256 insertion upstream of the walKR operon. Conclusions: This study provides for the first time a large-scale analysis of within-host evolution during invasive S. aureus infection and describes specific patterns of adaptation that will be informative for both understanding S. aureus pathoadaptation and utilising genomics for management of complicated S. aureus infections.

ABSTRACT During severe infections, Staphylococcus aureus moves from its colonising sites to blood and tissues, and is exposed to new selective pressures, thus potentially driving adaptive evolution. Previous studies have shown the key role of the agr locus in S. aureus pathoadaptation, however a more comprehensive characterisation of genetic signatures of bacterial adaptation may enable prediction of clinical outcomes and reveal new targets for treatment and prevention of these infections. Here, we measured adaptation using within-host evolution analysis of 2,590 S. aureus genomes from 396 independent episodes of infection. By capturing a comprehensive repertoire of single-nucleotide and structural genome variations, we found evidence of a distinctive evolutionary pattern within the infecting populations compared to colonising bacteria. These invasive strains had up to 20-fold enrichments for genome degradation signatures and displayed significantly convergent mutations in a distinctive set of genes, linked to antibiotic response and pathogenesis. In addition to agr -mediated adaptation we identified non-canonical, genome-wide significant loci including sucA - sucB and stp1 . The prevalence of adaptive changes increased with infection extent, emphasising the clinical significance of these signatures. These findings provide a high-resolution picture of the molecular changes when S. aureus transitions from colonisation to severe infection and may inform correlation of infection outcomes with adaptation signatures.

Abstract Staphylococcus aureus infections are associated with high mortality rates. Often considered an extracellular pathogen, S. aureus can persist and replicate within host cells, evading immune responses and causing host cell death. Classical methods for assessing S. aureus cytotoxicity are limited by testing culture supernatants and endpoint measurements that do not capture the phenotypic diversity of intracellular bacteria. Using a well-established epithelial cell line model, we have developed a platform called InToxSa ( In tracellular Tox icity of S. a ureus ) to quantify intracellula cytotoxic S. aureus phenotypes. Studying a panel of 387 S. aureus bacteraemia isolates, and combined with comparative, statistical and functional genomics, our platform identified mutations in S. aureus clinical isolates that reduced bacterial cytotoxicity and promoted intracellular persistence. In addition to numerous convergent mutations in the Agr quorum sensing system, our approach detected mutations in other loci that also impacted cytotoxicity and intracellular persistence. We discovered that clinical mutations in ausA, encoding the aureusimine non-ribosomal peptide synthetase, reduced S. aureus cytotoxicity and increased intracellular persistence. InToxSa is a versatile, high-throughput cell-based phenomics platform and we showcase its utility by identifying clinically relevant S. aureus pathoadaptive mutations that promote intracellular residency.

ABSTRACT NaHCO 3 responsiveness is a novel phenotype where some methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) isolates exhibit significantly lower minimal inhibitory concentrations (MIC) to oxacillin and/or cefazolin in the presence of NaHCO 3 . NaHCO 3 responsiveness correlated with treatment response to β-lactams in an endocarditis animal model. We investigated whether treatment of NaHCO 3 -responsive strains with β-lactams was associated with faster clearance of bacteremia. The CAMERA2 trial (Combination Antibiotics for Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus ) randomly assigned participants with MRSA bloodstream infections to standard therapy, or to standard therapy plus an anti-staphylococcal β-lactam (combination therapy). For 117 CAMERA2 MRSA isolates, we determined by broth microdilution the MIC of cefazolin and oxacillin, with and without 44 mM of NaHCO 3 . Isolates exhibiting ≥4-fold decrease in the MIC to cefazolin or oxacillin in the presence of NaHCO 3 were considered “NaHCO 3 -responsive” to that agent. We compared the rate of persistent bacteremia among participants who had infections caused by NaHCO 3 -responsive and non-responsive strains, and that were assigned to combination treatment with a β-lactam. Thirty-one percent (36/117) and 25% (21/85) of MRSA isolates were NaHCO 3 -responsive to cefazolin and oxacillin, respectively. The NaHCO 3 -responsive phenotype was significantly associated with sequence type 93, SCC mec type IVa, and mecA alleles with substitutions in positions −7 and −38 in the regulatory region. Among participants treated with a β-lactam, there was no association between the NaHCO 3 -responsive phenotype and persistent bacteremia (cefazolin, P = 0.82; oxacillin, P = 0.81). In patients from a randomized clinical trial with MRSA bloodstream infection, isolates with an in vitro β-lactam-NaHCO 3 -responsive phenotype were associated with distinctive genetic signatures, but not with a shorter duration of bacteremia among those treated with a β-lactam.