An estimated two billion persons are latently infected with Mycobacterium tuberculosis. The host factors that initiate and maintain this latent state and the mechanisms by which M. tuberculosis survives within latent lesions are compelling but unanswered questions. One such host factor may be nitric oxide (NO), a product of activated macrophages that exhibits antimycobacterial properties. Evidence for the possible significance of NO comes from murine models of tuberculosis showing progressive infection in animals unable to produce the inducible isoform of NO synthase and in animals treated with a NO synthase inhibitor. Here, we show that O2 and low, nontoxic concentrations of NO competitively modulate the expression of a 48-gene regulon, which is expressed in vivo and prepares bacilli for survival during long periods of in vitro dormancy. NO was found to reversibly inhibit aerobic respiration and growth. A heme-containing enzyme, possibly the terminal oxidase in the respiratory pathway, likely senses and integrates NO and O2 levels and signals the regulon. These data lead to a model postulating that, within granulomas, inhibition of respiration by NO production and O2 limitation constrains M. tuberculosis replication rates in persons with latent tuberculosis.

Unlike many pathogens that are overtly toxic to their hosts, the primary virulence determinant of Mycobacterium tuberculosis appears to be its ability to persist for years or decades within humans in a clinically latent state. Since early in the 20th century latency has been linked to hypoxic conditions within the host, but the response of M. tuberculosis to a hypoxic signal remains poorly characterized. The M. tuberculosis α-crystallin ( acr ) gene is powerfully and rapidly induced at reduced oxygen tensions, providing us with a means to identify regulators of the hypoxic response. Using a whole genome microarray, we identified >100 genes whose expression is rapidly altered by defined hypoxic conditions. Numerous genes involved in biosynthesis and aerobic metabolism are repressed, whereas a high proportion of the induced genes have no known function. Among the induced genes is an apparent operon that includes the putative two-component response regulator pair Rv3133c/Rv3132c. When we interrupted expression of this operon by targeted disruption of the upstream gene Rv3134c, the hypoxic regulation of acr was eliminated. These results suggest a possible role for Rv3132c/3133c/3134c in mycobacterial latency.

Unlike many pathogens that are overtly harmful to their hosts, Mycobacterium tuberculosis can persist for years within humans in a clinically latent state. Latency is often linked to hypoxic conditions within the host. Among M. tuberculosis genes induced by hypoxia is a putative transcription factor, Rv3133c/DosR. We performed targeted disruption of this locus followed by transcriptome analysis of wild-type and mutant bacilli. Nearly all the genes powerfully regulated by hypoxia require Rv3133c/DosR for their induction. Computer analysis identified a consensus motif, a variant of which is located upstream of nearly all M. tuberculosis genes rapidly induced by hypoxia. Further, Rv3133c/DosR binds to the two copies of this motif upstream of the hypoxic response gene alpha-crystallin. Mutations within the binding sites abolish both Rv3133c/DosR binding as well as hypoxic induction of a downstream reporter gene. Also, mutation experiments with Rv3133c/DosR confirmed sequence-based predictions that the C-terminus is responsible for DNA binding and that the aspartate at position 54 is essential for function. Together, these results demonstrate that Rv3133c/DosR is a transcription factor of the two-component response regulator class, and that it is the primary mediator of a hypoxic signal within M. tuberculosis.

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.

Summary The RD1 genomic region is present in virulent strains of Mycobacterium tuberculosis (MTB), missing from the vaccine strain M. bovis BCG, and its importance to virulence has been established experimentally. Based on in silico analysis, it has been suggested that RD1 may encode a novel secretion system, but the mechanism by which this region affects virulence is unknown. Here we examined mutants disrupted in five individual RD1 genes. Both in vitro and in vivo , each mutant displayed an attenuated phenotype very similar to a mutant missing the entire RD1 region. Genetic complementation of individual genes restored virulence. Attenuated mutants could multiply within THP‐1 cells, but they were unable to spread to uninfected macrophages. We also examined export of two immunodominant RD1 proteins, CFP‐10 and ESAT‐6. Export of these proteins was greatly reduced or abolished in each attenuated mutant. Again, genetic complementation restored a wild‐type phenotype. Our results indicate that RD1 genes work together to form a single virulence determinant, and argue that RD1 encodes a novel specialized secretion system that is required for pathogenesis of MTB.

BackgroundA significant body of evidence accumulated over the last century suggests a link between hypoxic microenvironments within the infected host and the latent phase of tuberculosis. Studies to test this correlation have identified the M. tuberculosis initial hypoxic response, controlled by the two-component response regulator DosR. The initial hypoxic response is completely blocked in a dosR deletion mutant.Methodology/Principal FindingsWe show here that a dosR deletion mutant enters bacteriostasis in response to in vitro hypoxia with only a relatively mild decrease in viability. In the murine infection model, the phenotype of the mutant was indistinguishable from that of the parent strain. These results suggested that additional genes may be essential for entry into and maintenance of bacteriostasis. Detailed microarray analysis of oxygen starved cultures revealed that DosR regulon induction is transient, with induction of nearly half the genes returning to baseline within 24 hours. In addition, a larger, sustained wave of gene expression follows the DosR-mediated initial hypoxic response. This Enduring Hypoxic Response (EHR) consists of 230 genes significantly induced at four and seven days of hypoxia but not at initial time points. These genes include a surprising number of transcriptional regulators that could control the program of bacteriostasis. We found that the EHR is independent of the DosR-mediated initial hypoxic response, as EHR expression is virtually unaltered in the dosR mutant.Conclusions/SignificanceOur results suggest a reassessment of the role of DosR and the initial hypoxic response in MTB physiology. Instead of a primary role in survival of hypoxia induced bacteriostasis, DosR may regulate a response that is largely optional in vitro and in mouse infections. Analysis of the EHR should help elucidate the key regulatory factors and enzymatic machinery exploited by M. tuberculosis for long-term bacteriostasis in the face of oxygen deprivation.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is initiated in the distal airways, but the bacteria ultimately disseminate to the lung interstitium. Although various cell types, including alveolar macrophages (AM), neutrophils, and permissive monocytes, are known to be infected with Mtb, the initially infected cells as well as those that mediate dissemination from the alveoli to the lung interstitium are unknown. In this study, using a murine infection model, we reveal that early, productive Mtb infection occurs almost exclusively within airway-resident AM. Thereafter Mtb-infected, but not uninfected, AM localize to the lung interstitium through mechanisms requiring an intact Mtb ESX-1 secretion system. Relocalization of infected AM precedes Mtb uptake by recruited monocyte-derived macrophages and neutrophils. This dissemination process is driven by non-hematopoietic host MyD88/interleukin-1 receptor inflammasome signaling. Thus, interleukin-1-mediated crosstalk between Mtb-infected AM and non-hematopoietic cells promotes pulmonary Mtb infection by enabling infected cells to disseminate from the alveoli to the lung interstitium.

We have taken the first steps towards a complete reconstruction of the Mycobacterium tuberculosis regulatory network based on ChIP-Seq and combined this reconstruction with system-wide profiling of messenger RNAs, proteins, metabolites and lipids during hypoxia and re-aeration. Adaptations to hypoxia are thought to have a prominent role in M. tuberculosis pathogenesis. Using ChIP-Seq combined with expression data from the induction of the same factors, we have reconstructed a draft regulatory network based on 50 transcription factors. This network model revealed a direct interconnection between the hypoxic response, lipid catabolism, lipid anabolism and the production of cell wall lipids. As a validation of this model, in response to oxygen availability we observe substantial alterations in lipid content and changes in gene expression and metabolites in corresponding metabolic pathways. The regulatory network reveals transcription factors underlying these changes, allows us to computationally predict expression changes, and indicates that Rv0081 is a regulatory hub. Mycobacterium tuberculosis has the ability to survive within the host for months to decades in an asymptomatic state, and adaptations to hypoxia are thought to have an important role in pathogenesis; here a systems-wide reconstruction of the regulatory network provides a framework for understanding mycobacterial persistence in the host. Tuberculosis is a particularly debilitating disease, in part because of the ability of the Mycobacterium tuberculosis pathogen to persist asymptomatically in the host for many months or even decades. A ChIP-Seq genomic mapping analysis of more than 45 M. tuberculosis transcription factors, combined with expression data from the systematic overexpression of the same factors, has been used to develop a systems-wide reconstruction of the regulatory network underlying mycobacterial persistence. The network reveals links between hypoxia adaptation and lipid metabolism, both considered critical for tuberculosis pathogenesis, and the study identifies the previously unstudied transcription factor Rv0081 as a regulatory hub of the network.

Mutations that eliminate KatG catalase-peroxidase activity prevent activation of isoniazid and are a major mechanism of resistance to this principal drug for the treatment of Mycobacterium tuberculosis infections. However, the loss of KatG activity in clinical isolates seemed paradoxical because KatG is considered an important factor for the survival of the organism. Expression of either KatG or the recently identified alkyl hydroperoxidase AhpC was sufficient to protect bacilli against the toxic effects of organic peroxides. To survive during infection, isoniazid-resistant KatG mutants have apparently compensated for the loss of KatG catalase-peroxidase activity by a second mutation, resulting in hyperexpression of AhpC.