Sebastien Gagneux and colleagues identify a set of compensatory mutations in the RNA polymerase of rifampicin-resistant M. tuberculosis by comparing the whole-genome sequences of ten paired clinical isolates and strains evolved in vitro. These mutations are associated with high competitive fitness in vitro and occur with increased clinical frequency in affected populations with a high burden of drug-resistant tuberculosis. Epidemics of drug-resistant bacteria emerge worldwide, even as resistant strains frequently have reduced fitness compared to their drug-susceptible counterparts1. Data from model systems suggest that the fitness cost of antimicrobial resistance can be reduced by compensatory mutations2; however, there is limited evidence that compensatory evolution has any significant role in the success of drug-resistant bacteria in human populations3,4,5,6. Here we describe a set of compensatory mutations in the RNA polymerase genes of rifampicin-resistant M. tuberculosis, the etiologic agent of human tuberculosis (TB). M. tuberculosis strains harboring these compensatory mutations showed a high competitive fitness in vitro. Moreover, these mutations were associated with high fitness in vivo, as determined by examining their relative clinical frequency across patient populations. Of note, in countries with the world's highest incidence of multidrug-resistant (MDR) TB7, more than 30% of MDR clinical isolates had this form of mutation. Our findings support a role for compensatory evolution in the global epidemics of MDR TB8.

Understanding Mycobacterium tuberculosis (Mtb) transmission is essential to guide efficient tuberculosis control strategies. Traditional strain typing lacks sufficient discriminatory power to resolve large outbreaks. Here, we tested the potential of using next generation genome sequencing for identification of outbreak-related transmission chains.During long-term (1997 to 2010) prospective population-based molecular epidemiological surveillance comprising a total of 2,301 patients, we identified a large outbreak caused by an Mtb strain of the Haarlem lineage. The main performance outcome measure of whole genome sequencing (WGS) analyses was the degree of correlation of the WGS analyses with contact tracing data and the spatio-temporal distribution of the outbreak cases. WGS analyses of the 86 isolates revealed 85 single nucleotide polymorphisms (SNPs), subdividing the outbreak into seven genome clusters (two to 24 isolates each), plus 36 unique SNP profiles. WGS results showed that the first outbreak isolates detected in 1997 were falsely clustered by classical genotyping. In 1998, one clone (termed "Hamburg clone") started expanding, apparently independently from differences in the social environment of early cases. Genome-based clustering patterns were in better accordance with contact tracing data and the geographical distribution of the cases than clustering patterns based on classical genotyping. A maximum of three SNPs were identified in eight confirmed human-to-human transmission chains, involving 31 patients. We estimated the Mtb genome evolutionary rate at 0.4 mutations per genome per year. This rate suggests that Mtb grows in its natural host with a doubling time of approximately 22 h (400 generations per year). Based on the genome variation discovered, emergence of the Hamburg clone was dated back to a period between 1993 and 1997, hence shortly before the discovery of the outbreak through epidemiological surveillance.Our findings suggest that WGS is superior to conventional genotyping for Mtb pathogen tracing and investigating micro-epidemics. WGS provides a measure of Mtb genome evolution over time in its natural host context.