Abstract Polymorphonuclear leukocytes (PMNs, or neutrophils) are critical for human innate immunity and kill most invading bacteria. However, pathogens such as Staphylococcus aureus avoid destruction by PMNs to survive, thereby causing human infections. The molecular mechanisms used by pathogens to circumvent killing by the immune system remain largely undefined. To that end, we studied S. aureus pathogenesis and bacteria-PMN interactions using strains originally isolated from individuals with community-acquired (CA) and hospital-acquired infections. Compared with strains from hospital infections (COL and MRSA252), strain MW2 and a methicillin-susceptible relative, MnCop, were significantly more virulent in a mouse model of S. aureus infection, and caused the greatest level of pathology in major vital organs. Although phagocytosis of each strain triggered production of reactive oxygen species and granule-phagosome fusion, those from CA infections were significantly more resistant to killing by human PMNs and caused greater host cell lysis. Microarray analysis of the strains during neutrophil phagocytosis identified genes comprising a global S. aureus response to human innate host defense. Genes involved in capsule synthesis, gene regulation, oxidative stress, and virulence, were up-regulated following ingestion of the pathogen. Notably, phagocytosis of strains from CA infections induced changes in gene expression not observed in the other strains, including up-regulation of genes encoding virulence factors and hypothetical proteins. Our studies reveal a gene transcription program in a prominent human pathogen that likely contributes to evasion of innate host defense.

Genome sequences are available for many bacterial strains, but there has been little progress in using these data to understand the molecular basis of pathogen emergence and differences in strain virulence. Serotype M3 strains of group A Streptococcus (GAS) are a common cause of severe invasive infections with unusually high rates of morbidity and mortality. To gain insight into the molecular basis of this high-virulence phenotype, we sequenced the genome of strain MGAS315, an organism isolated from a patient with streptococcal toxic shock syndrome. The genome is composed of 1,900,521 bp, and it shares ≈1.7 Mb of related genetic material with genomes of serotype M1 and M18 strains. Phage-like elements account for the great majority of variation in gene content relative to the sequenced M1 and M18 strains. Recombination produces chimeric phages and strains with previously uncharacterized arrays of virulence factor genes. Strain MGAS315 has phage genes that encode proteins likely to contribute to pathogenesis, such as streptococcal pyrogenic exotoxin A (SpeA) and SpeK, streptococcal superantigen (SSA), and a previously uncharacterized phospholipase A 2 (designated Sla). Infected humans had anti-SpeK, -SSA, and -Sla antibodies, indicating that these GAS proteins are made in vivo . SpeK and SSA were pyrogenic and toxic for rabbits. Serotype M3 strains with the phage-encoded speK and sla genes increased dramatically in frequency late in the 20th century, commensurate with the rise in invasive disease caused by M3 organisms. Taken together, the results show that phage-mediated recombination has played a critical role in the emergence of a new, unusually virulent clone of serotype M3 GAS.

Acute rheumatic fever (ARF), a sequelae of group A Streptococcus (GAS) infection, is the most common cause of preventable childhood heart disease worldwide. The molecular basis of ARF and the subsequent rheumatic heart disease are poorly understood. Serotype M18 GAS strains have been associated for decades with ARF outbreaks in the U.S. As a first step toward gaining new insight into ARF pathogenesis, we sequenced the genome of strain MGAS8232, a serotype M18 organism isolated from a patient with ARF. The genome is a circular chromosome of 1,895,017 bp, and it shares 1.7 Mb of closely related genetic material with strain SF370 (a sequenced serotype M1 strain). Strain MGAS8232 has 178 ORFs absent in SF370. Phages, phage-like elements, and insertion sequences are the major sources of variation between the genomes. The genomes of strain MGAS8232 and SF370 encode many of the same proven or putative virulence factors. Importantly, strain MGAS8232 has genes encoding many additional secreted proteins involved in human-GAS interactions, including streptococcal pyrogenic exotoxin A (scarlet fever toxin) and two uncharacterized pyrogenic exotoxin homologues, all phage-associated. DNA microarray analysis of 36 serotype M18 strains from diverse localities showed that most regions of variation were phages or phage-like elements. Two epidemics of ARF occurring 12 years apart in Salt Lake City, UT, were caused by serotype M18 strains that were genetically identical, or nearly so. Our analysis provides a critical foundation for accelerated research into ARF pathogenesis and a molecular framework to study the plasticity of GAS genomes.

Pulmonary nontuberculous mycobacterial (PNTM) disease is increasing, but predisposing features have been elusive.To prospectively determine the morphotype, immunophenotype, and cystic fibrosis transmembrane conductance regulator genotype in a large cohort with PNTM.We prospectively enrolled 63 patients with PNTM infection, each of whom had computerized tomography, echocardiogram, pulmonary function, and flow cytometry of peripheral blood. In vitro cytokine production in response to mitogen, LPS, and cytokines was performed. Anthropometric measurements were compared with National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) age- and ethnicity-matched female control subjects extracted from the NHANES 2001-2002 dataset.Patients were 59.9 (+/-9.8 yr [SD]) old, and 5.4 (+/-7.9 yr) from diagnosis to enrollment. Patients were 95% female, 91% white, and 68% lifetime nonsmokers. A total of 46 were infected with Mycobacterium avium complex, M. xenopi, or M. kansasii; 17 were infected with rapidly growing mycobacteria. Female patients were significantly taller (164.7 vs. 161.0 cm; P < 0.001) and thinner (body mass index, 21.1 vs. 28.2; P < 0.001) than matched NHANES control subjects, and thinner (body mass index, 21.1 vs. 26.8; P = 0.002) than patients with disseminated nontuberculous mycobacterial infection. A total of 51% of patients had scoliosis, 11% pectus excavatum, and 9% mitral valve prolapse, all significantly more than reference populations. Stimulated cytokine production was similar to that of healthy control subjects, including the IFN-gamma/IL-12 pathway. CD4(+), CD8(+), B, and natural killer cell numbers were normal. A total of 36% of patients had mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator gene.Patients with PNTM infection are taller and leaner than control subjects, with high rates of scoliosis, pectus excavatum, mitral valve prolapse, and cystic fibrosis transmembrane conductance regulator mutations, but without recognized immune defects.

The inability to propagate obligate intracellular pathogens under axenic (host cell-free) culture conditions imposes severe experimental constraints that have negatively impacted progress in understanding pathogen virulence and disease mechanisms. Coxiella burnetii , the causative agent of human Q (Query) fever, is an obligate intracellular bacterial pathogen that replicates exclusively in an acidified, lysosome-like vacuole. To define conditions that support C. burnetii growth, we systematically evaluated the organism's metabolic requirements using expression microarrays, genomic reconstruction, and metabolite typing. This led to development of a complex nutrient medium that supported substantial growth (approximately 3 log 10 ) of C. burnetii in a 2.5% oxygen environment. Importantly, axenically grown C. burnetii were highly infectious for Vero cells and exhibited developmental forms characteristic of in vivo grown organisms. Axenic cultivation of C. burnetii will facilitate studies of the organism's pathogenesis and genetics and aid development of Q fever preventatives such as an effective subunit vaccine. Furthermore, the systematic approach used here may be broadly applicable to development of axenic media that support growth of other medically important obligate intracellular pathogens.

Two-component gene regulatory systems composed of a membrane-bound sensor and cytoplasmic response regulator are important mechanisms used by bacteria to sense and respond to environmental stimuli. Group A Streptococcus, the causative agent of mild infections and life-threatening invasive diseases, produces many virulence factors that promote survival in humans. A two-component regulatory system, designated covRS (cov, control of virulence; csrRS), negatively controls expression of five proven or putative virulence factors (capsule, cysteine protease, streptokinase, streptolysin S, and streptodornase). Inactivation of covRS results in enhanced virulence in mouse models of invasive disease. Using DNA microarrays and quantitative RT-PCR, we found that CovR influences transcription of 15% (n = 271) of all chromosomal genes, including many that encode surface and secreted proteins mediating host-pathogen interactions. CovR also plays a central role in gene regulatory networks by influencing expression of genes encoding transcriptional regulators, including other two-component systems. Differential transcription of genes influenced by covR also was identified in mouse soft-tissue infection. This analysis provides a genome-scale overview of a virulence gene network in an important human pathogen and adds insight into the molecular mechanisms used by group A Streptococcus to interact with the host, promote survival, and cause disease.

Significance Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae has emerged globally as a multidrug-resistant hospital pathogen for which there are few treatment options. Clinical isolates classified by multilocus sequence typing (ST) as ST258 are the most widespread. The basis for the success of ST258 organisms above and beyond antibiotic resistance is not known, nor is it clear whether infections are caused by a single clone. We used genome sequencing to reveal unexpected genetic diversity among ST258 organisms (thus disproving the single-clone hypothesis) and identified a recombination hotspot that accounts for the majority of divergence—and presumably for serologic variation—among ST258 clinical isolates. Our findings will facilitate the development of new clinical strategies designed to prevent or treat infections caused by multidrug-resistant K. pneumoniae .

Protective antibodies in Plasmodium falciparum malaria are only acquired after years of repeated infections. Chronic malaria exposure is associated with a large increase in atypical memory B cells (MBCs) that resemble B cells expanded in a variety of persistent viral infections. Understanding the function of atypical MBCs and their relationship to classical MBCs will be critical to developing effective vaccines for malaria and other chronic infections. We show that VH gene repertoires and somatic hypermutation rates of atypical and classical MBCs are indistinguishable indicating a common developmental history. Atypical MBCs express an array of inhibitory receptors and B cell receptor (BCR) signaling is stunted in atypical MBCs resulting in impaired B cell responses including proliferation, cytokine production and antibody secretion. Thus, in response to chronic malaria exposure, atypical MBCs appear to differentiate from classical MBCs becoming refractory to BCR-mediated activation and potentially interfering with the acquisition of malaria immunity.

The recent emergence of artemisinin-resistant Plasmodium falciparum malaria in western Cambodia could threaten prospects for malaria elimination. Identification of the genetic basis of resistance would provide tools for molecular surveillance, aiding efforts to contain resistance. Clinical trials of artesunate efficacy were conducted in Bangladesh, in northwestern Thailand near the Myanmar border, and at two sites in western Cambodia. Parasites collected from trial participants were genotyped at 8,079 single nucleotide polymorphisms (SNPs) using a P. falciparum -specific SNP array. Parasite genotypes were examined for signatures of recent positive selection and association with parasite clearance phenotypes to identify regions of the genome associated with artemisinin resistance. Four SNPs on chromosomes 10 (one), 13 (two), and 14 (one) were significantly associated with delayed parasite clearance. The two SNPs on chromosome 13 are in a region of the genome that appears to be under strong recent positive selection in Cambodia. The SNPs on chromosomes 10 and 13 lie in or near genes involved in postreplication repair, a DNA damage-tolerance pathway. Replication and validation studies are needed to refine the location of loci responsible for artemisinin resistance and to understand the mechanism behind it; however, two SNPs on chromosomes 10 and 13 may be useful markers of delayed parasite clearance in surveillance for artemisinin resistance in Southeast Asia.