Bordetella pertussis, Bordetella parapertussis and Bordetella bronchiseptica are closely related Gram-negative β-proteobacteria that colonize the respiratory tracts of mammals. B. pertussis is a strict human pathogen of recent evolutionary origin and is the primary etiologic agent of whooping cough. B. parapertussis can also cause whooping cough, and B. bronchiseptica causes chronic respiratory infections in a wide range of animals. We sequenced the genomes of B. bronchiseptica RB50 (5,338,400 bp; 5,007 predicted genes), B. parapertussis 12822 (4,773,551 bp; 4,404 genes) and B. pertussis Tohama I (4,086,186 bp; 3,816 genes). Our analysis indicates that B. parapertussis and B. pertussis are independent derivatives of B. bronchiseptica-like ancestors. During the evolution of these two host-restricted species there was large-scale gene loss and inactivation; host adaptation seems to be a consequence of loss, not gain, of function, and differences in virulence may be related to loss of regulatory or control functions.

Examines America's war on terror, both before and after September 11th, including what went right or wrong, the operations of al Qaeda, the Department of Homeland Security, and other crucial actions of the Bush administration.

Bordetella pertussis causes pertussis, a respiratory disease that is most severe for infants. Vaccination was introduced in the 1950s, and in recent years, a resurgence of disease was observed worldwide, with significant mortality in infants. Possible causes for this include the switch from whole-cell vaccines (WCVs) to less effective acellular vaccines (ACVs), waning immunity, and pathogen adaptation. Pathogen adaptation is suggested by antigenic divergence between vaccine strains and circulating strains and by the emergence of strains with increased pertussis toxin production. We applied comparative genomics to a worldwide collection of 343 B. pertussis strains isolated between 1920 and 2010. The global phylogeny showed two deep branches; the largest of these contained 98% of all strains, and its expansion correlated temporally with the first descriptions of pertussis outbreaks in Europe in the 16th century. We found little evidence of recent geographical clustering of the strains within this lineage, suggesting rapid strain flow between countries. We observed that changes in genes encoding proteins implicated in protective immunity that are included in ACVs occurred after the introduction of WCVs but before the switch to ACVs. Furthermore, our analyses consistently suggested that virulence-associated genes and genes coding for surface-exposed proteins were involved in adaptation. However, many of the putative adaptive loci identified have a physiological role, and further studies of these loci may reveal less obvious ways in which B. pertussis and the host interact. This work provides insight into ways in which pathogens may adapt to vaccination and suggests ways to improve pertussis vaccines. IMPORTANCE Whooping cough is mainly caused by Bordetella pertussis, and current vaccines are targeted against this organism. Recently, there have been increasing outbreaks of whooping cough, even where vaccine coverage is high. Analysis of the genomes of 343 B. pertussis isolates from around the world over the last 100 years suggests that the organism has emerged within the last 500 years, consistent with historical records. We show that global transmission of new strains is very rapid and that the worldwide population of B. pertussis is evolving in response to vaccine introduction, potentially enabling vaccine escape.

Abstract Bordetella pertussis is the causative agent of whooping cough, commonly referred to as pertussis. Although the incidence of pertussis was reduced through vaccination, during the last thirty years it has returned to high levels in a number of countries. This resurgence has been linked to the switch from the use of whole-cell to acellular vaccines. Protection afforded by acellular vaccines appears to be short-lived compared to that afforded by whole cell vaccines. In order to inform future vaccine improvement by identifying immune correlates of protection, a human challenge model of B. pertussis colonisation has been developed. Accurate measurement of colonisation status in this model has required development of a qPCR-based assay to enumerate B. pertussis in samples that distinguishes between viable and dead bacteria. Here we report the development of this assay and its performance in the quantification of B. pertussis from human challenge model samples. This assay has future utility in diagnostic labs and in research where a quantitative measure of both B. pertussis number and viability is required.

The genome of Bordetella pertussis is complex, with high GC content and many repeats, each longer than 1,000 bp. Short-read DNA sequencing is unable to resolve the structure of the genome; however, long-read sequencing offers the opportunity to produce single-contig B. pertussis assemblies using sequencing reads which are longer than the repetitive sections. We used an R9.4 MinION flow cell and barcoding to sequence five B. pertussis strains in a single sequencing run. We then trialled combinations of the many nanopore-user-community-built long-read analysis tools to establish the current optimal assembly pipeline for B. pertussis genome sequences. Our best long-read-only assemblies were produced by Canu read correction followed by assembly with Flye and polishing with Nanopolish, whilst the best hybrids (using nanopore and Illumina reads together) were produced by Canu correction followed by Unicycler. This pipeline produced closed genome sequences for four strains, revealing inter-strain genomic rearrangement. However, read mapping to the Tohama I reference genome suggests that the remaining strain contains an ultra-long duplicated region (over 100 kbp), which was not resolved by our pipeline. We have therefore demonstrated the ability to resolve the structure of several B. pertussis strains per single barcoded nanopore flow cell, but the genomes with highest complexity (e.g. very large duplicated regions) remain only partially resolved using the standard library preparation and will require an alternative library preparation method. For full strain characterisation, we recommend hybrid assembly of long and short reads together; for comparison of genome arrangement, assembly using long reads alone is sufficient.

Bacterial genetic diversity is often described using solely base pair changes despite a wide variety of other mutation types likely being major contributors. Tandem duplications of genomic loci are thought to be widespread among bacteria but due to their often intractable size and instability, comprehensive studies of the range and genome dynamics of these mutations are rare. We define a methodology to investigate duplications in bacterial genomes based on read depth of genome sequence data as a proxy for copy number. We demonstrate the approach with Bordetella pertussis, whose insertion sequence element-rich genome provides extensive scope for duplications to occur. Analysis of genome sequence data for 2430 B. pertussis isolates identified 272 putative duplications, of which 94% were located at 11 hotspot loci. We demonstrate limited phylogenetic connection for the occurrence of duplications, suggesting unstable and sporadic characteristics. Genome instability was further described in-vitro using long read sequencing via the Nanopore platform. Clonally derived laboratory cultures produced heterogenous populations containing multiple structural variants. Short read data was used to predict 272 duplications, whilst long reads generated on the Nanopore platform enabled the in-depth study of the genome dynamics of tandem duplications in B. pertussis. Our work reveals the unrecognised and dynamic genetic diversity of B. pertussis and, as the complexity of the B. pertussis genome is not unique, highlights the need for a holistic and fundamental understanding of bacterial genetics.