Background HIV-1 can develop resistance to antiretroviral drugs, mainly through mutations within the target regions of the drugs. In HIV-1 protease, a majority of resistance-associated mutations that develop in response to therapy with protease inhibitors are found in the protease’s active site that serves also as a binding pocket for the protease inhibitors, thus directly impacting the protease-inhibitor interactions. Some resistance-associated mutations, however, are found in more distant regions, and the exact mechanisms how these mutations affect protease-inhibitor interactions are unclear. Furthermore, some of these mutations, e.g. N88S and L76V, do not only induce resistance to the currently administered drugs, but contrarily induce sensitivity towards other drugs. In this study, mutations N88S and L76V, along with three other resistance-associated mutations, M46I, I50L, and I84V, are analysed by means of molecular dynamics simulations to investigate their role in complexes of the protease with different inhibitors and in different background sequence contexts. Results Using these simulations for alchemical calculations to estimate the effects of mutations M46I, I50L, I84V, N88S, and L76V on binding free energies shows they are in general in line with the mutations’ effect on $$IC_{50}$$ I C 50 values. For the primary mutation L76V, however, the presence of a background mutation M46I in our analysis influences whether the unfavourable effect of L76V on inhibitor binding is sufficient to outweigh the accompanying reduction in catalytic activity of the protease. Finally, we show that L76V and N88S changes the hydrogen bond stability of these residues with residues D30/K45 and D30/T31/T74, respectively. Conclusions We demonstrate that estimating the effect of both binding pocket and distant mutations on inhibitor binding free energy using alchemical calculations can reproduce their effect on the experimentally measured $$IC_{50}$$ I C 50 values. We show that distant site mutations L76V and N88S affect the hydrogen bond network in the protease’s active site, which offers an explanation for the indirect effect of these mutations on inhibitor binding. This work thus provides valuable insights on interplay between primary and background mutations and mechanisms how they affect inhibitor binding.

中文翻译：

---

HIV-1蛋白酶的非活性位点突变体影响对蛋白酶抑制剂的抗性和敏感性

背景 HIV-1 可以对抗逆转录病毒药物产生耐药性，主要是通过药物靶区域内的突变。在 HIV-1 蛋白酶中，大多数因蛋白酶抑制剂治疗而产生的耐药性相关突变存在于蛋白酶的活性位点，该位点也可作为蛋白酶抑制剂的结合口袋，从而直接影响蛋白酶抑制剂的相互作用。然而，在更远的地区发现了一些与耐药性相关的突变，这些突变如何影响蛋白酶-抑制剂相互作用的确切机制尚不清楚。此外，其中一些突变，例如 N88S 和 L76V，不仅会诱导对当前使用的药物产生耐药性，还会相反地诱导对其他药物的敏感性。在这项研究中，突变 N88S 和 L76V，连同其他三个耐药相关突变，M46I、I50L 和 I84V，通过分子动力学模拟进行分析，以研究它们在蛋白酶与不同抑制剂的复合物中和不同背景序列环境中的作用。结果 使用这些模拟进行炼金术计算以估计突变 M46I、I50L、I84V、N88S 和 L76V 对结合自由能的影响表明它们通常与突变对 $$IC_{50}$$ IC 50 的影响一致价值观。然而，对于初级突变 L76V，在我们的分析中存在背景突变 M46I 会影响 L76V 对抑制剂结合的不利影响是否足以超过蛋白酶催化活性的伴随降低。最后，我们表明 L76V 和 N88S 分别改变了这些残基与残基 D30/K45 和 D30/T31/T74 的氢键稳定性。结论 我们证明，使用炼金术计算估计结合口袋和远距离突变对抑制剂结合自由能的影响可以重现它们对实验测量的 $$IC_{50}$$ IC 50 值的影响。我们表明，远位点突变 L76V 和 N88S 会影响蛋白酶活性位点中的氢键网络，这为这些突变对抑制剂结合的间接影响提供了解释。因此，这项工作为初级和背景突变之间的相互作用以及它们如何影响抑制剂结合的机制提供了有价值的见解。结论 我们证明，使用炼金术计算估计结合口袋和远距离突变对抑制剂结合自由能的影响可以重现它们对实验测量的 $$IC_{50}$$ IC 50 值的影响。我们表明，远位点突变 L76V 和 N88S 会影响蛋白酶活性位点中的氢键网络，这为这些突变对抑制剂结合的间接影响提供了解释。因此，这项工作为初级和背景突变之间的相互作用以及它们如何影响抑制剂结合的机制提供了有价值的见解。结论 我们证明，使用炼金术计算估计结合口袋和远距离突变对抑制剂结合自由能的影响可以重现它们对实验测量的 $$IC_{50}$$ IC 50 值的影响。我们表明，远位点突变 L76V 和 N88S 会影响蛋白酶活性位点中的氢键网络，这为这些突变对抑制剂结合的间接影响提供了解释。因此，这项工作为初级和背景突变之间的相互作用以及它们如何影响抑制剂结合的机制提供了有价值的见解。我们表明，远位点突变 L76V 和 N88S 会影响蛋白酶活性位点中的氢键网络，这为这些突变对抑制剂结合的间接影响提供了解释。因此，这项工作为初级和背景突变之间的相互作用以及它们如何影响抑制剂结合的机制提供了有价值的见解。我们表明，远位点突变 L76V 和 N88S 会影响蛋白酶活性位点中的氢键网络，这为这些突变对抑制剂结合的间接影响提供了解释。因此，这项工作为初级和背景突变之间的相互作用以及它们如何影响抑制剂结合的机制提供了有价值的见解。