IRAK-4在白介素-1受体/Toll样受体(IL-1R/TLRs)介导的炎症信号通路中的关键作用

李 帆，芮耀诚

(第二军医大学药理学教研室，上海 200433)

·综述·

IRAK-4在白介素-1受体/Toll样受体(IL-1R/TLRs)介导的炎症信号通路中的关键作用

李 帆，芮耀诚

(第二军医大学药理学教研室，上海 200433)

白介素-1受体相关激酶4(interleukin-1 receptor-associated kinase 4；IRAK-4)是近年来发现的参与机体先天性免疫反应过程中的关键分子。它与另外3个成员IRAK-1、IRAK-2、IRAK-M同属于IRAK家族，目前经过对IRAK-4分子的激酶活性以及其对炎症反应的正向和负向的调控作用的研究表明，IRAK-4分子联系着上下游的信号转导，在TLRs/IL-1R介导的炎症信号通路中的作用更为关键。本文就IRAK-4分子的活性、以及IRAK-4分子在TLRs/IL-1R介导的炎症信号转导通路中的作用作一综述。以期设计出针对IRAK-4特异性的药物，或者通过基因治疗手段干预IRAK-4表达，为感染控制提供新的思路，开发出新的抗炎药物。

白介素-1受体相关激酶4(IRAK-4)；TLRs/IL-1R信号通路；激酶活性

1 IRAK家族及IRAK-4的激酶活性

白介素-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor-associated kinase，IRAK)家族共有4个成员：IRAK-1、IRAK-2、RAK-4、IRAK-M。其中IRAK-1、IRAK-4在IL-1R/TLR(白介素-1受体/Toll样受体)介导的炎症信号通路起正向调节作用，IL-1R/TLR与配体结合以后，参与信号转导，激活下游炎症因子的表达。有研究证明，IRAK-1基因敲除小鼠的IL-1R/TLR信号通路被部分阻断，但仍然可以激活下游炎症因子表达，引发炎症反应，推测可能有另外的信号旁路被激活，弥补了IRAK-1的缺失；但IRAK-4基因敲除小鼠的IL-1R/TLR信号通路被严重阻断，不能激活下游的信号通路，这就说明，相对于IRAK-1，IRAK-4分子在IL-1R/TLR信号通路中的作用更为关键，是不可或缺的。该家族的另外两个成员：IRAK-2、IRAK-M则主要起负向调节作用，IRAK-M 主要调节TLR信号，抑制IRAK-4和IRAK-1解离或者抑制IRAK-1的磷酸化。而IRAK-2主要调节IL-1信号，降低LPS诱导的肥大细胞凋亡。

IRAK-4作为IRAK家族中最重要的一种激酶，其主要的功能就是将底物磷酸化。 Rekhter等[1]研究发现，在HEK293细胞中过表达激酶失活型的IRAK4与野生型相比，不能激活NF-κB，阻断了IL-1β和IL-8的产生；Kim等[2]也证明了在小鼠模型中，IRAK-4的激酶活性对于IL-1β介导的信号通路是必不可少的；激酶失活的IRAK-1、IRAK-2 或IRAK-M仍能激活NF-κB，而激酶失活的IRAK-4则明显抑制了IL-1诱导的NF-κB的激活[3]。以上的研究提示，IRAK-4的激酶活性是IL-1R/TLR介导的信号通路中所必需的，而且比家族中其它成员更为重要。同时又有矛盾的文献报道，如Qin等[4]在IRAK-4缺失的人成纤维细胞中，转染激酶失活的IRAK-4，却能够完全恢复IL-1β诱导的NF-κB及AP-1的激活以及IL-8的产生；在人内皮细胞中只有用RO0884同时抑制IRAK-4和IRAK-1以后，才可以阻断p38和JNK的激活以及细胞因子的产生[5]。所以，这种理论认为，IRAK-4的激酶活性对IL-1R/TLR介导的信号通路并非必需。为何会出现两种截然不同的结论,目前的看法是:可能与实验所采用的不同细胞种属相关，其具体的机制还有待更深一步的研究证实。但至少有一点可以肯定，那就是IRAK-4的激酶活性在IL-1R/TLRs介导的最佳炎症信号通路是必须的。

另外，有研究证明，IRAK-4分子也参与了机体的免疫耐受。在小鼠RAW.264细胞中，用LPS刺激以后会引起IRAK-4分子的降解而不影响其mRNA水平[6]。IRAK-4的降解伴随着一个小分子量蛋白(32 kD)的出现，也同样可以被IRAK-4的抗体识别，认为可能是IRAK-4被某种蛋白酶水解下来的C末端区。随着IRAK-4的降解，IRAK-1的激活、IκB，κBα的磷酸化也减慢[7]。这种理论认为，在用IL-1R/TLRs的配体，如LPS延长或反复刺激后，会使细胞发生负反馈调节，通过降解炎症信号通路中上游的关键分子来防止炎症反应的扩大，对机体起到了正性的保护作用。

2 TLRs/IL-1R介导的信号通路[8]及IRAK-4的关键性作用

在微生物病原体引发的先天性免疫反应中，Toll样受体(TLRs)是一种非常重要的分子模式受体。而IL-1受体(IL-1R)在炎症反应放大过程中也发挥了很重要的作用，这两种受体的跨膜蛋白在胞浆内的结构域具有同源性，现在的研究证明，IL-1R和TLR2，TLR4，TLR7/8，TLR9所介导的信号转导通路是十分相似的，都是依赖一种髓系分化因子88(MyD88)作为调节分子激活下游的炎症信号通路(TLR3是TLR家族中唯一不依赖MyD88进行信号转导的受体)。TLRs/IL-1R与配体结合以后，募集MyD88分子，MyD88通过其N末端的死亡结构域进一步募集IRAK-4，IRAK-4通过自身磷酸化反应，发挥激酶活性，激活其底物IRAK-1，IRAK-1随即磷酸化，构型发生改变，导致与受体复合物的亲和力下降而分离，并与TNF受体相关因子6 ( tumor necrosis factor receptor associated factor 6, TRAF6 ) 形成复合物，导致TRAF-6发生低聚作用，进一步通过转接蛋白TAB激活转化生长因子β活化激酶和NF-κB诱导激酶(NIK)，NIK随即活化IκB激酶( IKK)复合物，IKK复合物进而磷酸化IκB，磷酸化的IκB随后被降解，从而去除了对NF-κB 的抑制作用，导致NF-κB 活化，活化的NF-κB进入细胞核，引起促炎细胞因子基因的转录和表达。TRAF-6还可通过另外一条途径激活丝裂原活化蛋白激酶( p38 mitogen-activated protein kinase，MAPK)引起转录因子c-Jun NH2-terminal kinase(JNK)的活化。

图1 IL-1R/TLR介导的炎症信号通路

因此可以看出，MyD88和TRAF6是共同信号通路中关键的转接蛋白，而MyD88 与TRAF6之间的信号转导需要IRAK4介导。

另外一种MyD88非依赖性信号转导通路则是通过调节蛋白TRIF直接与TLR3结合，激活NF-κB和IRF-3诱导IFN-β的产生。

所有的IRAKs都是多区域蛋白, 含一个保守的死亡结构域( death domain，DD)的N末端和C末端的一个中央激酶结构域( central kinase domain，KD)[9]。KD区由12个亚区构成，具有典型的丝/苏氨酸激酶结构域的特征，DD区是IRAK和MyD88相结合的区域。只有IRAK-1和IRAK-4被证明具有激酶活性，而IRAK-4是这个家族中唯一一个与Drosophila IRAK样激酶Pelle最具同源性的分子[10]。如前所述，虽然IRAK-4的激酶活性由于具有种属特异性，在介导TLRs/IL-1R信号通路的机制方面还有待进一步研究，但IRAK-4的死亡结构域的作用则更加明确。IRAK-4并不和IRAK-1以外的其他IRAK分子相作用，并且必须有MyD88 参与下IRAK-4才能汇聚到TLR / IL-1R复合物，并和IRAK-1紧密接触。IRAK-4先通过死亡结构域与调节分子MyD88相互作用，如果这二者没有相作用，则不能使IRAK-1分子磷酸化，也就阻断了下游的信号通路。由此可见，IRAK-4的死亡结构域在发挥分子识别、激活下游信号通路起到了相当重要的作用。IRAK-4晶体结构的确认就为其激酶活性的调节提供了很有价值的信息，同时也为设计强大而特异的IRAK-4抑制剂提供了分子和结构基础[11]。

3 IRAK-4与疾病

人类IRAK-4基因(EMBL/Genbank accession NO.NM_016123)位于X染色体p11.12区，编码52 KD的蛋白质，尽管人类IRAK-4在很多组织均可以表达，但主要分布于肝和肾脏组织。因此，IRAK-4的功能可能与人类的很多重大疾病息息相关。

Rekhter等[1]证明了基因敲除IRAK-4的激酶活性可以抑制血管病变，如动脉粥样硬化的形成。IRAK-4的功能缺陷，可以下调炎症因子前体的表达，抑制巨噬细胞的浸润，减少平滑肌细胞的脂质堆积，从而减小动脉粥样硬化斑块的大小，有效地改善血管病变。T细胞表面TLR与配体结合以后，IRAK-4分子可以募集到T细胞的脂伐上，与Zap70偶联，激活PKC，从而诱发下游的信号通路，促进转录因子NF-κB表达，导致炎症反应的发生，表明IRAK-4直接参与了机体天然免疫和获得性免疫的信号网络[12]。

表达于主动脉血管平滑肌细胞(ASMC)的趋化因子CXCL16可以诱导ASMC的黏附和增殖，IL-18可以通过IRAK-4参与的TLR/IL-1R信号通路，上调ASMC的CXCL16的转录，从而激活下游MAPK，促使AP-1转录因子的表达，为动脉粥样硬化、血管形成后的动脉再狭窄提供了一种新的信号偶联途径[13]。

IRAK-4分子在TLRs/IL-1R介导的信号通路的作用除了经典的激活下游NF-κB及AP-1转录因子，诱导炎症因子，细胞因子，趋化因子的表达而外，另外也有研究发现，IRAK-4过表达可以增强LPS诱导的NADPH氧化酶活性[14]，主要是通过IRAK-4磷酸化P47phox，从而激活NADPH氧化酶，诱导下游的p38MAPK的信号转导。这就将IRAK-4分子的生物学功能进一步扩展，不仅仅是限制在TLRs/IL-1R介导的信号通路中，而是广泛参与了细胞内反应的网络性调节。

4 IRAK-4分子的研究应用前景

IRAK-4有着不同于IRAK家族中其它蛋白的特点：过表达IRAK-4并不会引起NF-κB的强烈激活，可能是由于体内还存在有另外一种负反馈机制，如IRAK-4被蛋白水解酶水解为小分子，IRAK-M、IRAK-2的激活等，都可以负向调节炎症反应瀑布，保护机体以防过度损伤。体外激酶失活型的IRAK-4足以抑制IL-1诱导的NF-κB激活。相反，相应地突变IRAK-1、IRAK-2、IRAK-M却没有如此强大的负向作用。这些结果都表明，IRAK-4作为TIR 信号通路中的一个重要连接体，在炎症的发动和调节中起着非常重要作用，充分研究其调控机制对感染性和炎性疾病意义重大，但目前尚有很多不清楚的地方，IRAK-4对机体LPS 的耐受机制、预防等也还在进一步的研究中。现阶段，IRAK-4的晶体结构已经阐明，可以由此设计出针对IRAK-4特异性的药物，或者通过基因治疗手段干预IRAK-4表达，阻断IRAK-4激酶活性或者阻碍与MyD88的结合，都将为感染性休克的治疗开辟一条新的道路。同时，在缺陷IRAK-4的细胞内表达IRAK-4 基因，也可以为感染控制提供新的手段，开发出新的抗炎药物。

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2010-09-20

[修回日期] 2010-10-21

ThekeyfunctionofIRAK-4intheinflammationsignalpathwaymediatedbyToll-likereceptors

LI Fan，RUI Yao-Cheng

(Department of Pharmacology, The Second Military Medical University, Shanghai 200433，China)

interleukin-1 receptor-associated kinase 4 (IRAK-4) is a key molecular which participates in the innate immune processes. It belongs to the IRAK family with the other three members: IRAK-1, IRAK-2, and IRAK-M. However, It has been found that IRAK-4 plays a more important role in the inflammatory signal pathway mediated by TLRs/IL-1Rs through the deep investigation of the IRAK-4 kinase activity and the positive/negative regulation mechanism of the inflammatory reactions. The activities of IRAK-4 and the crucial function of IRAK4 in the TLRs/IL-1Rs mediated pathways of inflammatory signal transmission were summarized.

IRAK-4, TLRs/IL-1R signal pathway, kinase activity

李 帆(1986-)，女，硕士研究生.Tel：13764598652,E-mail:jakoyu@163.com.

芮耀诚.E-mail:ruiyc163@163.com.

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1006-0111(2011)01-0001-04