結核菌のピラジナミダーゼにおけるピラジンアミド抵抗性および変異L19R、R140H、およびE144K

ピラジンアミド（PZA）は、結核菌ピラジナミダーゼ（PZase）によって活性化された第一選択抗結核症薬の重要な成分であり、その活性なピラジノイン酸です。PNCA遺伝子の変異は、PZA耐性の主な原因として認識されています。いくつかの新しい変異、ロイシン19アルギニン（L19R）、アルギニン140ヒスチジン（R140H）、およびグルタミン酸144リジン（E144K）を検出しました。これらのバリアントの耐性の分子メカニズムは以前に報告されていないため、PZase変異L19R、R140H、およびE144Kのために、異なる耐性のメカニズムを発表するための複数の分析を実行しました。変異体とネイティブPZase構造は、APOおよび薬物結合形態の100ナノ秒で包括的な計算分子動力学（MD）シミュレーションにかけられました。変異体とネイティブPZase結合ポケットを比較して、結合ポケットサイズの変異の結果を観察しました。水素結合、ギブス自由エネルギー、および天然リガンドFe +2効果も、ネイティブと変異体の間で分析されました。ネイティブと変異体のPZase構造活性の間に有意な変動が観察されました。ネイティブPZASEタンパク質ドッキングスコアは最大であることがわかり、変異体と比較して強い結合親和性を示しました。MDシミュレーションでは、PZaseの生物学的機能に対するバリアントの効果を調査しました。水素結合、金属イオンFe +2偏差、および変動も、変異L19R、R140H、およびE144Kのために影響を受けたように見えました。バリアントL19R、R140H、およびE144Kは、PZA耐性に重要な役割を果たし、金属イオンFE +2変位と自由エネルギーを含むネイティブPZASEの全体的な活性を変化させます。この研究は、薬物耐性結核のより良い管理のための貴重な証拠を提供します。

Pyrazinamide (PZA) is an important component of first-line antituberculosis drugs activated by Mycobacterium tuberculosis pyrazinamidase (PZase) into its active form pyrazinoic acid. Mutations in the pncA gene have been recognized as the major cause of PZA resistance. We detected some novel mutations, Leucine19Arginine (L19R), Arginine140Histidine (R140H), and Glutamic acid144 Lysine (E144K), in the pncA gene of PZA-resistant isolates in our wet lab PZA drug susceptibility testing and sequencing. As the molecular mechanism of resistance of these variants has not been reported earlier, we have performed multiple analyses to unveil different mechanisms of resistance because of PZase mutations L19R, R140H, and E144K. The mutants and native PZase structures were subjected to comprehensive computational molecular dynamics (MD) simulations at 100 nanoseconds in apo and drug-bound form. Mutants and native PZase binding pocket were compared to observe the consequence of mutations on the binding pocket size. Hydrogen bonding, Gibbs free energy, and natural ligand Fe +2 effect were also analyzed between native and mutants. A significant variation between native and mutant PZase structure activity was observed. The native PZase protein docking score was found to be the maximum, showing strong binding affinity in comparison with mutants. MD simulations explored the effect of the variants on the biological function of PZase. Hydrogen bonding, metal ion Fe +2 deviation, and fluctuation also seemed to be affected because of the mutations L19R, R140H, and E144K. The variants L19R, R140H, and E144K play a significant role in PZA resistance, altering the overall activity of native PZase, including metal ion Fe +2 displacement and free energy. This study offers valuable evidence for better management of drug-resistant tuberculosis.