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Whole-genome sequencing as a tool for studying the microevolution of drug-resistant serial Mycobacterium tuberculosis isolates - 25/11/21

Doi : 10.1016/j.tube.2021.102137 
Jaciara de Lourdes do Carmo Guimarães Diniz a, , Andrea von Groll a, Gisela Unis b, Elis Regina Dalla-Costa c, Maria Lúcia Rosa Rossetti d, Júlia Silveira Vianna a, Daniela Fernandes Ramos a, Ana Júlia Reis a, Priscila Cristina Bartolomeu Halicki a, João Luis Rheingantz Scaini e, Yasmin Castillos de Ibrahim das Neves a, Jody Phelan f, Ana Rita Gomes f, Susana Campino f, Karina dos Santos Machado e, Adriano Velasque Werhli e, Arnab Pain g, h, Taane Gregory Clark f, João Perdigão i, Miguel Viveiros j, Isabel Portugal i, Pedro Eduardo Almeida Silva a
a Núcleo de Pesquisa em Microbiologia Médica, Faculdade de Medicina, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, Rio Grande do Sul, Brazil 
b Hospital Sanatório Partenon, Secretaria Estadual de Saúde do Rio Grande do Sul (HSP SES/RS), Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brazil 
c Centro de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brazil 
d Programa de Pós-graduação em Biologia Celular e Molecular, Universidade Luterana do Brasil, Porto Alegre, Brazil 
e Combi-Lab – Grupo de Biologia Computacional, Centro de Ciências Computacionais C3, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, Rio Grande do Sul, Brazil 
f London School of Hygiene and Tropical Medicine, Keppel Street, London, WC1E 7HT, United Kingdom 
g Pathogen Genomics Laboratory, BESE Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, Saudi Arabia 
h Research Center for Zoonosis Control, Global Institution for Collaborative Research and Education (GI-CoRE), Hokkaido University, Sapporo, Japan 
i Research Institute for Medicines - iMed.ULisboa, Faculdade de Farmácia, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal 
j Unidade de Microbiologia Médica, Global Health and Tropical Medicine, GHTM, Instituto de Higiene e Medicina Tropical, IHMT, Universidade Nova de Lisboa, UNL, Lisboa, Portugal 

Corresponding author.

Abstract

Treatment of drug-resistant tuberculosis requires extended use of more toxic and less effective drugs and may result in retreatment cases due to failure, abandonment or disease recurrence. It is therefore important to understand the evolutionary process of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. We here in describe the microevolution of drug resistance in serial isolates from six previously treated patients. Drug resistance was initially investigated through phenotypic methods, followed by genotypic approaches. The use of whole-genome sequencing allowed the identification of mutations in the katG, rpsL and rpoB genes associated with drug resistance, including the detection of rare mutations in katG and mixed populations of strains. Molecular docking simulation studies of the impact of observed mutations on isoniazid binding were also performed. Whole-genome sequencing detected 266 single nucleotide polymorphisms between two isolates obtained from one patient, suggesting a case of exogenous reinfection. In conclusion, sequencing technologies can detect rare mutations related to drug resistance, identify subpopulations of resistant strains, and identify diverse populations of strains due to exogenous reinfection, thus improving tuberculosis control by guiding early implementation of appropriate clinical and therapeutic interventions.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Catalase assay, Exogenous reinfection, Microevolution, Resistance, Whole-genome sequencing


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