TUBERCULOSIS is responsible for one in four of all avoidable adult deaths in developing countries1. Increased frequency and accelerated fatality of the disease among individuals infected with human immunodeficiency virus has raised worldwide concern that control programmes may be inadequate2, and the emergence of multidrug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis has resulted in several recent fatal outbreaks in the United States3. Isonicotinic acid hydrazide (isoniazid, INH) forms the core of antituberculosis regimens; however, clinical isolates that are resistant to INH show reduced catalase activity and a relative lack of virulence in guinea-pigs4–7. Here we use mycobacterial genetics8,9 to study the molecular basis of INH resistance. A single M. tuberculosis gene, katG, encoding both catalase and peroxidase, restored sensitivity to INH in a resistant mutant of Mycobacterium smegmatis, and conferred INH susceptibility in some strains of Escherichia coli. Deletion of katG from the chromosome was associated with INH resistance in two patient isolates of M. tuberculosis.

The target of a first-line tuberculosis drug that acts against persister bacteria is identified.

Sarcoidosis is a disease of unknown etiology characterized by noncaseating epithelioid granulomas, oligoclonal CD4+ T cell infiltrates, and immune complex formation. To identify pathogenic antigens relevant to immune-mediated granulomatous inflammation in sarcoidosis, we used a limited proteomics approach to detect tissue antigens that were poorly soluble in neutral detergent and resistant to protease digestion, consistent with the known biochemical properties of granuloma-inducing sarcoidosis tissue extracts. Tissue antigens with these characteristics were detected with immunoglobulin (Ig)G or F(ab′)2 fragments from the sera of sarcoidosis patients in 9 of 12 (75%) sarcoidosis tissues (150–160, 80, or 60–64 kD) but only 3 of 22 (14%) control tissues (all 62–64 kD; P = 0.0006). Matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry identified Mycobacterium tuberculosis catalase–peroxidase (mKatG) as one of these tissue antigens. Protein immunoblotting using anti-mKatG monoclonal antibodies independently confirmed the presence of mKatG in 5 of 9 (55%) sarcoidosis tissues but in none of 14 control tissues (P = 0.0037). IgG antibodies to recombinant mKatG were detected in the sera of 12 of 25 (48%) sarcoidosis patients compared with 0 of 11 (0%) purified protein derivative (PPD)− (P = 0.0059) and 4 of 10 (40%) PPD+ (P = 0.7233) control subjects, suggesting that remnant mycobacterial catalase–peroxidase is one target of the adaptive immune response driving granulomatous inflammation in sarcoidosis.

Abstract Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) represents a chronic interstitial lung disease with an unclear underlying mechanism and currently lacks a definitive treatment. Cordyceps sinensis (CS), renowned for its pharmacological properties in traditional Chinese medicine and extensive use in lung disease treatment, holds promise as a therapeutic agent for IPF. However, the specific role of CS in treating IPF remains unclear. In this study, we aimed to assess the efficacy of CS in treating IPF and unravel potential underlying mechanisms. Our results demonstrate that CS treatment effectively mitigated pulmonary inflammation and collagen deposition in bleomycin‐induced IPF mice. Proteomics analysis revealed that the regulation of mitochondrial oxidative phosphorylation may serve as a potential protective mechanism of CS against IPF in mice. Further investigation unveiled that CS could suppress the excessive production of mitochondrial reactive oxygen species in lung tissues induced by bleomycin through moderating the expression and activity of mitochondrial complexes, thus safeguarding the integrity and function of mitochondria. Overall, our findings not only underscore the effectiveness of CS in preventing bleomycin‐induced IPF but also highlight mitochondrial‐mediated oxidative stress as a promising therapeutic target for treating IPF.

Small regulatory RNA (srRNA) is widely distributed in three kingdoms of life and fulfills functions in many aspects of cellular life, but their role in bacterial persistence remains unknown. In this study, we comprehensively interrogated the expression levels of the known srRNAs on three critical time points, stage 1 (S1) where no persisters are formed, stage 2 (S2) where persisters are beginning to appear, and stage 3 (S3) where persister numbers increase significantly. Three upregulated srRNAs (OmrB, an outer member associated srRNA; RdlB, a swarming motility and curli expression regulator; McaS, a flagellar motility and biofilm formation regulator) overlapping in S2/S1and S3/S1, together with the other four upregulated srRNAs (MicF, a ribosome binding inhibitor; MicL, an outer membrane associated srRNA; RybB, a cell envelope stress regulator; RydB, regulator of a global regulator RpoS) in S2/S1 are of special interest. By constructing deletion mutants and overexpression strains in uropathogenic E. coli strain UTI89, we tested their persister-formation capabilities in log phase and stationary phase cultures exposed to antibiotics (gentamicin, cefotaxime and levofloxacin) and stresses (heat, hyperosmosis, H2O2, and acid). The results of the deletion mutant studies showed that all the seven identified sRNAs have varying effects on persister formation with different antibiotics or stresses. Moreover, we found all the deletion mutants of these srRNAs have reduced biofilm formation. Additionally, except the McaS and the RydB overexpression strains, all of the srRNAs overexpression strains demonstrated increased persister-formation in antibiotic and stress persister assays, confirming the role of these srRNAs in persistence. Together, we identified seven srRNAs (OmrB, RdlB, McaS, MicF, MicL, RybB, and RydB) that are involved in type II persister formation for the first time. These findings provide convincing evidence for a new level of rapid persistence regulation via srRNA and furnish novel therapeutic targets for intervention.

Lyme disease is the most common vector-borne disease in the US. Although the current recommended Lyme antibiotic treatment can cure the majority of Lyme disease patients, about 10-20% patients continue to suffer from persisting symptoms. There have been various anecdotal reports on the use of herbal extracts for treating patients with persisting symptoms with varying degree of improvements. However, it is unclear whether the effect of the herb products is due to their direct antimicrobial activity or their effect on host immune system. In the present study, we investigated the antimicrobial effects of 12 commonly used botanical medicines and 3 other natural antimicrobial agents for potential anti-Borrelia burgdorferi activity in vitro. Primary criteria for selecting compounds for the present study included agents that had shown significant anti-borrelial effects in previous studies, have favorable safety profiles, and can be absorbed systemically. Among them, 9 natural product extracts at 1% were found to have good activity against the stationary phase B. burgdorferi culture compared to the control antibiotics doxycycline and cefuroxime. These active herbs include Cryptolepis sanguinolenta, Juglans nigra (Black walnut), Polygonum cuspidatum (Japanese knotweed), Artemesia annua (Sweet wormwood), Uncaria tomentosa (Cat's claw), Cistus incanus, and Scutellaria baicalensis (Chinese skullcap). In contrast, Stevia rebaudiana, Andrographis paniculata, Grapefruit seed extract, colloidal silver, monolaurin, and antimicrobial peptide LL37 had little or no activity against stationary phase B. burgdorferi. The minimum inhibitory concentration (MIC) values of Artemesia annua, Juglans nigra, and Uncaria tomentosa were quite high for growing B. burgdorferi, despite their strong activity against the non-growing stationary phase B. burgdorferi cells. On the other hand, the top two active herbs, Cryptolepis sanguinolenta and Polygonum cuspidatum, showed strong activity against both growing B. burgdorferi (MIC=0.03%-0.06% and 0.25%-0.5% respectively) and non-growing stationary phase B. burgdorferi. In subculture studies, only 1% Cryptolepis sanguinolenta extract caused complete eradication, while current Lyme antibiotics doxycycline and cefuroxime and other active herbs including Polygonum cuspidatum, Artemesia annua, Juglans nigra and Uncaria tomentosa could not eradicate B. burgdorferi stationary phase cells as many spirochetes were visible after 21-day subculture. Further studies are needed to identify the active ingredients of the effective herbs and evaluate their combinations for more effective eradication of B. burgdorferi in vitro and in vivo. The implications of these findings for more effective treatment of persistent Lyme disease are discussed.

Tuberculosis (TB) remains a leading cause of morbidity and mortality globally. The current TB therapy takes at least 6 months for drug-susceptible TB and 9-24 months for MDR-TB. The lengthy therapy is thought to be due to M. tuberculosis persisters that are not effectively killed by the current TB drugs. However, pyrazinamide (PZA) is an indispensable frontline TB drug that kills M. tuberculosis persisters and plays a critical role in shortening the treatment. In this study, we explored the idea of identifying FDA-approved drugs that enhance PZA activity as a rapid and efficient approach to developing more effective treatment as opposed to new drug development. To achieve that, we screened the clinical drug library and identified various drug candidates that could enhance PZA activity in vitro against a 3-month-old M. tuberculosis culture. These findings are of particular interest and may have implications for improved treatment of drug-susceptible TB and drug-resistant TB. Further studies are needed to determine if these drugs can shorten TB treatment in vivo in animal models and if so in patients.

Lyme disease is a most common vector borne disease in the US. Although the majority of Lyme patients can be cured with the standard 30 day antibiotic treatment, about 10-20% of patients continue to suffer from prolonged post-treatment Lyme disease syndrome (PTLDS). While the cause for this is unclear, one possibility is that persisting organisms are not killed by current Lyme antibiotics. It has been reported in the literature that essential oils have antimicrobial activities and some have been used by patients with persisting symptoms with varying degree of improvement. However, the activity of essential oils on the causative agent Borrelia burgdorferi (B. burgdorferi) has not been studied. Here, we evaluated the activity of a panel of 34 essential oils for activity against B. burgdorferi stationary phase cells. Interestingly, we found that many essential oils had varying degrees of activity against the stationary phase B. burgdorferi. In particular, the top 5 essential oils (oregano, cinnamon bark, clove bud, citronella, and wintergreen) at a low concentration of 0.25% showed more activity than the persister drug daptomycin (40 microM). An interesting observation is that the highly active essential oils were found to have excellent anti-biofilm ability as shown by their ability to dissolve the aggregated biofilm-like structures. In subculture studies, the three top hits, oregano, cinnamon bark and clove bud completely eradicated all viable cells without any regrowth, but citronella, wintergreen, and geranium bourbon could not completely kill the stationary phase B. burgdorferi with many spirochetes being visible after 21-day subculture. In addition, carvacrol was found to be the most active ingredient of oregano oil and had excellent activity against B. burgdorferi stationary phase cells, while p-cymene and alpha-terpinene had no apparent activity. Future studies are needed to further evaluate and optimize the active essential oils and in drug combinations in vitro and in vivo for improved treatment of persistent Lyme disease.

There is currently considerable interest in understanding the mechanisms of action of pyrazinamide (PZA), a critical frontline tuberculosis (TB) drug that plays a unique role in shortening TB therapy due to its unique activity against Mycobacterium tuberculosis persisters. PZA is a prodrug that is converted to its active form pyrazoic acid (POA) by PncA enzyme. However, the mechanisms of action and resistance of PZA are complex and are not well understood. So far, pncA, rpsA, panD, and clpC1 are known to be involved in PZA resistance, however, we still find some PZA/POA-resistant strains still do not have any mutations in the above known genes involved in PZA resistance, indicating that new mechanisms of PZA/POA resistance must exist. Here, to identify possible new mechanisms of PZA resistance, we characterized 109 POA-resistant mutants and found that most (101/109=93%) of POA-resistant mutants had panD mutations. Among the 8 POA-resistant mutants that did not have panD mutations, 4 had the same clpC1 mutation (S91G), while the remaining 4 did not have any mutations in the known PZA resistance genes. Whole genome sequencing of the 4 POA-resistant mutants revealed that they all had the same two mutations rv1411c (Lipoprotein LprG C672T change leading to W224STOP) and rv0521 (Methyltransferase, C295T causing amino acid substitution R99W). However, one strain (3G1) had only the two identical mutations in LprG (rv1411c) and rv0521 while the remaining 3 mutants had additional low percentage of heterogeneous mutations in rv3630 (hypothetical protein), rv0010c (hypothetical protein), ppsC (phenolpthiocerol synthesis type-I polyketide synthase C) and cyp128 (cytochrome P450 128). LprG-Rv1410 participates in triacylglyceride (TAG) transport in M. tuberculosis and loss of its function leads to intracellular TAG accumulation, and is critical for regulating bacterial growth and metabolism during carbon starvation and infection. The finding that all 4 POA-resistant mutants have the same W224Stop mutation in LprG suggests that the non-functional LprG may lead to higher TAG accumulation and thus causing higher metabolism, which is known to antagonize PZA/POA activity. This provides a plausible explanation for loss of function mutation in LprG being a likely cause for PZA/POA resistance. Our findings shed new light on the mechanisms of action and resistance of PZA/POA. Future studies are needed to address the role of the identified mutations in PZA resistance and how they might be involved in the action of PZA in M. tuberculosis.