Mutations of katG and inhA in MDR M. tuberculosis

Backgrounds: Mutations of katG and inhA (ORF and promoter) are known to be related to isoniazid (INH) resistance of Mycobacterium tuberculosis. Because reports on these mutations in Korean isolates are limited (i.e. only the frequency of katG codon 463 was evaluated.), we tried to know the kinds of mutations of two genes and their frequencies in INH resistant Korean M. tuberculosis strains. Methods: PCR was performed to amplify katG (2,223 bp), inhA ORF (-77~897, 975 bp), and inhA promoter (-168~80, 248 bp) from 29 multidrug resistant M. tuberculosis (MDR-TB) DNAs prepared by bead beater-phenol method. Their sequences were determined and analyzed by ABI PRISM 3730 XL Analyzer and MegAlign package program, respectively. Results: All of the isolates had more than one mutation in katG or inhA gene. Twenty seven (93%) of 29 tested strains had katG mutations, which suggests that katG is a critical gene determining INH resistance of M. tuberculosis. Amino acid substitutions, such as Arg463Leu and Ser315Thr, due to point mutations of the katG were the most frequent (62.1% and 55.2%) mutations. In addition, deletion of the katG gene was frequently observed (17.2%). Analyzed Korean MDR-TB isolates also had variable inhA mutations. Point mutation of inhA promoter region, such as -15 ($C{\rightarrow}T$) was frequently found. Substitution of amino acid (Lsy8Asn) due to point mutation ($AAA{\rightarrow}AAC$) of inhA ORF was found in 1 isolate. Interestingly, 14 point mutated types that were not previously reported were newly found. While four types resulted in amino acid change, the others were silent mutations. Conclusions: Although it is not clear that the relationship of these newly found mutations with INH resistance, they show marked diversity in Korean MDR-TB strains. It also suggests their feasibility as a molecular target to supplement determining the INH resistance of clinical isolates because of the possible existence of low-level INH resistant strains.

국내에서 분리된 다제 내성 결핵균의 katG 와 inhA 변이 다양성 및 그 빈도

연구배경: INH 내성은 katG 와 inhA(ORF와 promoter)의 변이에 의한 것으로 알려져 있다. 유전자 변이는 지역적으로 종류와 빈도가 다르게 나타날 수 있는데 기존 국내의 연구보고들은 흔하다고 알려진 katG의 463 코돈만을 추적한 것들이었다. 따라서 본 연구는 국내에서 분리된 INH 내성균들의 두 유전자에서 나타날 수 있는 변이의 종류와 빈도를 확인하고자 하였다. 연구방법: 대한결핵협회 결핵연구원에서 MDR-TB로 판명된 INH 내성 결핵균 29주로부터 bead beater-phenol법으로 DNA를 추출하여 katG(2,223 bp), inhA ORF(-77~897, 975 bp) 및 inhA promoter(-168~80, 248 bp) 염기서열 결정 및 분석은 ABI PRISM 3730 XL Analyzer 및 MegAlign package를 사용하였다. 결과: 모든 균주들은 분석 표적으로 사용한 세 유전자 부위 중에서 적어도 한 개 이상의 유전자 부위에 변이가 있었다. INH 내성균은 거의 대부분(>93%) katG의 변이를 갖고 inhA 유전자 변이만 있는 경우는 드물어 INH 내성을 결정하는 중요한 요인은 katG의 변이 인 것을 확인할 수 있었다. katG 부위에서 Arg463Leu 변이와 Ser315Thr 변이가 높은 빈도(62.1% 및 55.2%)로 발견되었고, katG 완전결실과 inhA promoter-15($C{\rightarrow}T$) 변이도 일정한 빈도로 나타남을 볼 수 있었다. 그 외 inhA ORF 변이도 1주에서 1종류의 변이가 발견되었다. 결론: 기존 연구결과에서는 보고되지 않고 본 연구에서 처음으로 확인된 변이들도 14 종류나 있어서, INH 내성은 주로 katG 혹은 일부 inhA 특정 부위의 변이가 주도하지만 이들 외에도 다양한 변이가 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이들 새로이 확인된 변이들은 염기서열 분석에 의한 INH 내성 여부 판단 시, 기존 알려진 변이 외에 보조 자료로 사용할 수 있을 것으로 생각한다.