The differential transcriptional response of Mycobacterium tuberculosis to drugs and growth-inhibitory conditions was monitored to generate a data set of 430 microarray profiles. Unbiased grouping of these profiles independently clustered agents of known mechanism of action accurately and was successful at predicting the mechanism of action of several unknown agents. These predictions were validated biochemically for two agents of previously uncategorized mechanism, pyridoacridones and phenothiazines. Analysis of this data set further revealed 150 underlying clusters of coordinately regulated genes offering the first glimpse at the full metabolic potential of this organism. A signature subset of these gene clusters was sufficient to classify all known agents as to mechanism of action. Transcriptional profiling of both crude and purified natural products can provide critical information on both mechanism and detoxification prior to purification that can be used to guide the drug discovery process. Thus, the transcriptional profile generated by a crude marine natural product recapitulated the mechanistic prediction from the pure active component. The underlying gene clusters further provide fundamental insights into the metabolic response of bacteria to drug-induced stress and provide a rational basis for the selection of critical metabolic targets for screening for new agents with improved activity against this important human pathogen.

Bicyclic nitroimidazoles, including PA-824, are exciting candidates for the treatment of tuberculosis. These prodrugs require intracellular activation for their biological function. We found that Rv3547 is a deazaflavin-dependent nitroreductase (Ddn) that converts PA-824 into three primary metabolites; the major one is the corresponding des-nitroimidazole (des-nitro). When derivatives of PA-824 were used, the amount of des-nitro metabolite formed was highly correlated with anaerobic killing of Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Des-nitro metabolite formation generated reactive nitrogen species, including nitric oxide (NO), which are the major effectors of the anaerobic activity of these compounds. Furthermore, NO scavengers protected the bacilli from the lethal effects of the drug. Thus, these compounds may act as intracellular NO donors and could augment a killing mechanism intrinsic to the innate immune system.

β-lactam antibiotics are ineffective against Mycobacterium tuberculosis , being rapidly hydrolyzed by the chromosomally encoded blaC gene product. The carbapenem class of β-lactams are very poor substrates for BlaC, allowing us to determine the three-dimensional structure of the covalent BlaC-meropenem covalent complex at 1.8 angstrom resolution. When meropenem was combined with the β-lactamase inhibitor clavulanate, potent activity against laboratory strains of M. tuberculosis was observed [minimum inhibitory concentration (MIC meropenem ) less than 1 microgram per milliliter], and sterilization of aerobically grown cultures was observed within 14 days. In addition, this combination exhibited inhibitory activity against anaerobically grown cultures that mimic the “persistent” state and inhibited the growth of 13 extensively drug-resistant strains of M. tuberculosis at the same levels seen for drug-susceptible strains. Meropenem and clavulanate are Food and Drug Administration–approved drugs and could potentially be used to treat patients with currently untreatable disease.

ABSTRACT SQ109, a 1,2-diamine related to ethambutol, is currently in clinical trials for the treatment of tuberculosis, but its mode of action remains unclear. Here, we demonstrate that SQ109 disrupts cell wall assembly, as evidenced by macromolecular incorporation assays and ultrastructural analyses. SQ109 interferes with the assembly of mycolic acids into the cell wall core of Mycobacterium tuberculosis , as bacilli exposed to SQ109 show immediate inhibition of trehalose dimycolate (TDM) production and fail to attach mycolates to the cell wall arabinogalactan. These effects were not due to inhibition of mycolate synthesis, since total mycolate levels were unaffected, but instead resulted in the accumulation of trehalose monomycolate (TMM), the precursor of TDM and cell wall mycolates. In vitro assays using purified enzymes showed that this was not due to inhibition of the secreted Ag85 mycolyltransferases. We were unable to achieve spontaneous generation of SQ109-resistant mutants; however, analogs of this compound that resulted in similar shutdown of TDM synthesis with concomitant TMM accumulation were used to spontaneously generate resistant mutants that were also cross-resistant to SQ109. Whole-genome sequencing of these mutants showed that these all had mutations in the essential mmpL3 gene, which encodes a transmembrane transporter. Our results suggest that MmpL3 is the target of SQ109 and that MmpL3 is a transporter of mycobacterial TMM.

The presence of multiple copies of the major replicative DNA polymerase (DnaE) in some organisms, including important pathogens and symbionts, has remained an unresolved enigma. We postulated that one copy might participate in error-prone DNA repair synthesis. We found that UV irradiation of Mycobacterium tuberculosis results in increased mutation frequency in the surviving fraction. We identified dnaE2 as a gene that is upregulated in vitro by several DNA damaging agents, as well as during infection of mice. Loss of this protein reduces both survival of the bacillus after UV irradiation and the virulence of the organism in mice. Our data suggest that DnaE2, and not a member of the Y family of error-prone DNA polymerases, is the primary mediator of survival through inducible mutagenesis and can contribute directly to the emergence of drug resistance in vivo. These results may indicate a potential new target for therapeutic intervention.

The bicyclic nitroimidazole PA-824 is a pro-drug with a very complex mechanism of action active against both replicating and hypoxic, non-replicating Mycobacterium tuberculosis. Microarray analysis of the mode of action of PA-824 showed a puzzling mixed effect both on genes responsive to both cell wall inhibition (like isoniazid) and respiratory poisoning (like cyanide). The aerobic killing mechanism of this drug appears to involve inhibition of cell wall mycolic acid biosynthesis through an as yet unknown molecular mechanism. However, the structure-activity relationships governing aerobic activity do not parallel the relationships determining anaerobic activity. Based on the metabolite profiling of PA-824 and various derivatives by Ddn-mediated activation, we have shown that PA-824 acts directly as an NO donor.1 This respiratory poisoning through nitric oxide release seemed to be a crucial element of anaerobic activity by PA-824. The effect of PA-824 on the respiratory complex under hypoxic non-replicating conditions was also manifested in a rapid drop in intracellular ATP levels, again similar to that observed by cyanide treatment. Thus, transcriptional profiling provided valuable clues to elucidating the molecular mechanism of mycobacterial killing.

RNA sequencing provides a new perspective on the genome of Mycobacterium tuberculosis by revealing an extensive presence of non-coding RNA, including long 5’ and 3’ untranslated regions, antisense transcripts, and intergenic small RNA (sRNA) molecules. More than a quarter of all sequence reads mapping outside of ribosomal RNA genes represent non-coding RNA, and the density of reads mapping to intergenic regions was more than two-fold higher than that mapping to annotated coding sequences. Selected sRNAs were found at increased abundance in stationary phase cultures and accumulated to remarkably high levels in the lungs of chronically infected mice, indicating a potential contribution to pathogenesis. The ability of tubercle bacilli to adapt to changing environments within the host is critical to their ability to cause disease and to persist during drug treatment; it is likely that novel post-transcriptional regulatory networks will play an important role in these adaptive responses.

Identification of new drug targets is vital for the advancement of drug discovery against Mycobacterium tuberculosis, especially given the increase of resistance worldwide to first- and second-line drugs. Because traditional target-based screening has largely proven unsuccessful for antibiotic discovery, we have developed a scalable platform for target identification in M. tuberculosis that is based on whole-cell screening, coupled with whole-genome sequencing of resistant mutants and recombineering to confirm. The method yields targets paired with whole-cell active compounds, which can serve as novel scaffolds for drug development, molecular tools for validation, and/or as ligands for co-crystallization. It may also reveal other information about mechanisms of action, such as activation or efflux. Using this method, we identified resistance-linked genes for eight compounds with anti-tubercular activity. Four of the genes have previously been shown to be essential: AspS, aspartyl-tRNA synthetase, Pks13, a polyketide synthase involved in mycolic acid biosynthesis, MmpL3, a membrane transporter, and EccB3, a component of the ESX-3 type VII secretion system. AspS and Pks13 represent novel targets in protein translation and cell-wall biosynthesis. Both MmpL3 and EccB3 are involved in membrane transport. Pks13, AspS, and EccB3 represent novel candidates not targeted by existing TB drugs, and the availability of whole-cell active inhibitors greatly increases their potential for drug discovery.

Oxygen depletion of Mycobacterium tuberculosis engages the DosR regulon that coordinates an overall down-regulation of metabolism while up-regulating specific genes involved in respiration and central metabolism. We have developed a chemostat model of M. tuberculosis where growth rate was a function of dissolved oxygen concentration to analyze metabolic adaptation to hypoxia. A drop in dissolved oxygen concentration from 50 mmHg to 0.42 mmHg led to a 2.3 fold decrease in intracellular ATP levels with an almost 70-fold increase in the ratio of NADH/NAD+. This suggests that re-oxidation of this co-factor becomes limiting in the absence of a terminal electron acceptor. Upon oxygen limitation genes involved in the reverse TCA cycle were upregulated and this upregulation was associated with a significant accumulation of succinate in the extracellular milieu. We confirmed that this succinate was produced by a reversal of the TCA cycle towards the non-oxidative direction with net CO2 incorporation by analysis of the isotopomers of secreted succinate after feeding stable isotope (13C) labeled precursors. This showed that the resulting succinate retained both carbons lost during oxidative operation of the TCA cycle. Metabolomic analyses of all glycolytic and TCA cycle intermediates from 13C-glucose fed cells under aerobic and anaerobic conditions showed a clear reversal of isotope labeling patterns accompanying the switch from normoxic to anoxic conditions. M. tuberculosis encodes three potential succinate-producing enzymes including a canonical fumarate reductase which was highly upregulated under hypoxia. Knockout of frd, however, failed to reduce succinate accumulation and gene expression studies revealed a compensatory upregulation of two homologous enzymes. These major realignments of central metabolism are consistent with a model of oxygen-induced stasis in which an energized membrane is maintained by coupling the reductive branch of the TCA cycle to succinate secretion. This fermentative process may offer unique targets for the treatment of latent tuberculosis.

ABSTRACT Tuberculosis (TB) recently became the leading infectious cause of death in adults, while attempts to shorten therapy have largely failed. Dormancy, persistence, and drug tolerance are among the factors driving the long therapy duration. Assays to measure in situ drug susceptibility of Mycobacterium tuberculosis bacteria in pulmonary lesions are needed if we are to discover new fast-acting regimens and address the global TB threat. Here we take a first step toward this goal and describe an ex vivo assay developed to measure the cidal activity of anti-TB drugs against M. tuberculosis bacilli present in cavity caseum obtained from rabbits with active TB. We show that caseum M. tuberculosis bacilli are largely nonreplicating, maintain viability over the course of the assay, and exhibit extreme tolerance to many first- and second-line TB drugs. Among the drugs tested, only the rifamycins fully sterilized caseum. A similar trend of phenotypic drug resistance was observed in the hypoxia- and starvation-induced nonreplicating models, but with notable qualitative and quantitative differences: (i) caseum M. tuberculosis exhibits higher drug tolerance than nonreplicating M. tuberculosis in the Wayne and Loebel models, and (ii) pyrazinamide is cidal in caseum but has no detectable activity in these classic nonreplicating assays. Thus, ex vivo caseum constitutes a unique tool to evaluate drug potency against slowly replicating or nonreplicating bacilli in their native caseous environment. Intracaseum cidal concentrations can now be related to the concentrations achieved in the necrotic foci of granulomas and cavities to establish correlations between clinical outcome and lesion-centered pharmacokinetics-pharmacodynamics (PK-PD) parameters.