Detection of Pyrazinamide Resistance in Mycobacterium Tuberculosis by Sequencing of pncA Gene

pncA 유전자의 염기 서열 결정에 의한 결핵균의 Pyrazinamide 내성 진단

Background : Examining the biological susceptibility of Mycobacterium tuberculosis to pyrazinamide (PZA) in vitro is very difficult as PZA is inactive under normal culture conditions. The biological susceptibility test, an enzyme assay for Pzase activity, and a genetic test for pncA gene mutations, were performed in order to predict PZA resistance. Methods : 28 cultured clinical isolates of Mycobacterium tuberculosis were tested. The biological susceptibility was performed by the absolute concentration method using Lowenstein-Jensen media. The PZase activity was tested by means of Wayne's method. A 710-bp region includes the entire open reading frame of pncA was amplified and sequenced. Results : All six strains with positive PZase activity exhibited no pncA mutations with one strain showing a false resistance in the biological susceptibility test. Among the 22 strains with no PZase activity, 21 exhibited showed pncA mutations. In the biological susceptibility test, 20 strains were resistant, and one was susceptible, and the other flied to test. The mutation types varied with ten missense, one silent and one nonsense mutation 1 slipped-strand mispairing, and 6 frameshift mutations. Three strains had an adenine to guanine mutation at position -11 upstream of the start codon. Conclusion : The mutation at the pncA promotor region is frequent at -11 upstream position. Automatic sequencing of pncA is a useful tool for rapid and accurate detection of PZA resistant M. tuberculosis, and for demonstrating the epidemiological relatedness of the PZA resistant M. tuberculosis strains.

연구배경 : Pyrazinamide(PZA)는 결핵의 1차 치료 약제이며, 산성 환경 하에서만 작용하기 때문에 in vitro에서 생물학적인 감수성 검사를 하는 것이 어렵다. pncA는 PZase를 생성하는 유전자로 이의 돌연변이가 결핵균의 PZase 활성을 소실시켜 결핵균이 PZA에 대해서 내성을 획득하게 되는 기전으로 추정된다. 본 연구에서는 PZA의 생물학적 감수성, PZase 활성 및 pncA 유전자의 돌연변이 사이의 관계를 검토하고, 아울러 결핵균의 pncA 의 염기서열 결정이 PZA 내성을 예측하는데 이용될 수 있는지를 알아보고자 하였다. 방법 : 폐결핵 환자의 객담에서 분리된 결핵균 28균주를 대상으로 하여, 절대농도법으로 PZA의 감수성을 검사하고, pncA 유전자의 open reading frame 전체 561 bp를 포함하는 710 bp 크기의 유전자를 선택적으로 증폭하였다. PCR 증폭 산물을 직접 염기서열 결정에 이용하였고, GenBank에서 확인한 결핵균 야생주의 pncA 염기서열과 비교하여 돌연변이 여부를 확인하였다. 결과 : PZase 활성이 있는 6균주 모두 pncA의 돌연변이가 없었으나, 1균주(16.7%)는 절대농도법에 의한 감수성 검사에서 위내성으로 나타났다. PZase 활성이 없는 22균주 중 21균주(95.5%)는 pncA의 돌연변이가 확인되었고, 생물학적 감수성 검사에서는 20균주가 PZA 내성, 1균주는 검사 불능, 1균주는 감수성을 보였다. pncA의 돌연변이의 양상(중복 1예 포함)은 promotor 지역과 pncA의 전 open reading frame에 걸쳐서 단일 염기의 치환에 의한 silent mutation 1개, missense mutation 10개, nonsense mutation 1개, 3염기가 삽입된 insertion 1개, 1~3개의 염기가 삽입된 frame shift mutation 4개, 그리고 2~2347개의 염기가 결실된 frame shift mutation 2개였다. 그리고 나머지 3균주는 모두 pncA유전자의 open reading frame 상부의 11번째 염기가 똑같이 adenine에서 guanine으로 치환되어 있었다. 결론 : pncA의 돌연변이는 결핵균의 PZase 활성의 소실에 의한 PZA 내성의 주요 기전이며, 특히 pncA 시작 codon의 상부 11 번째 위치의 염기 치환은 promotor의 돌연변이에 의한 PZA 내성의 주요 부위인 것으로 추정된다. Automatic sequencing에 의한 pncA의 염기서열 결정은 결핵균의 PZA 내성 진단을 위한 빠르고 효과적인 방법으로 이용할 수 있으며, PZA 내성 결핵균의 균주간 연관성을 규명하기 위한 역학 조사의 목적으로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.