Toll样受体信号传导通路及其免疫调节作用的研究进展

高 明，敖 越，栾新红，曹中赞

(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866；2.沈阳市动物疫病预防控制中心，辽宁沈阳 110034）

Toll样受体信号传导通路及其免疫调节作用的研究进展

高 明1，敖 越2，栾新红1，曹中赞1

(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866；2.沈阳市动物疫病预防控制中心，辽宁沈阳 110034）

Toll样受体(Toll like receptors，TLRs）作为模式识别受体(Pattern recognition receptors，PRRs）的一员，是介导天然免疫及病原体信号传导与细胞活化信号转导中的重要跨膜信号传递受体，可以识别高度保守的微生物组分-病原相关分子模式(PAMPS）。1984年在果蝇体内发现TLRs，参与成蝇的免疫反应，与果蝇的生长发育密切相关[1]。近些年，在人与许多动物体内均有类似跨膜蛋白的发现，后被统一称为TLRs受体家族。TLRs能够识别许多不同种类的病原体，并迅速激活机体自身的免疫应答反应，也可以在某些特殊条件下被宿主自身的抗原激活。

1 TLRs

TLRs属于跨膜蛋白，其大体分为3个部分：胞膜外区、胞浆区和跨膜区。其中，胞膜外区包含17～31个富含亮氨酸的重复序列(LRRs），其间有非LRR序列分隔，LRR基序一般由24个氨基酸组成主要是有利于促进蛋白间的相互黏附可以参与识别PAMPS[2]。TLRs受体分布非常广泛，在B淋巴细胞、NK细胞、单核-巨噬细胞及树突状细胞表面都有分布，主要在天然免疫系统中表达。其中，TLR1分布比较广泛，在多核及单核细胞等的表面均可进行表达；TLR2、4、5则主要分布于髓系统的单核细胞中，在外周血的白细胞中表达尤为丰富；而TLR3却只在未成熟的树突状细胞中进行表达。而且，TLRs在不同的组织和细胞表达量有所不同[3]。

迄今为止已经发现至少15种TLRs[4]，鼠和人类的TLR1-9相同，TLR10为人类特有，TLR11-13为鼠特有，TLR14和TLR15相继在小鼠和鸡体内发现，也有研究显示在小鼠和人细胞中均有TLR14的表达[5]。根据来源可以将TLRs的配体分为内源和外源两类。内源性配体主要来自于宿主细胞[6]，外源性配体则主要是来自于病原微生物进化过程中的一些保守组分[7]。

2 TLRs介导的信号传导通路

TLRs信号通路的活化在机体完成各种生命活动的过程中发挥着重要的作用。由TLRs介导的信号转导通路可以诱导很多快速反应的活化，产生如一氧化氮合成酶、抗菌肽、炎症细胞因子、共刺激分子、趋化细胞因子等效应分子，激活炎症反应，参与机体防御反应。所有TLRs家族成员均依赖于TIR结构域向细胞内转导识别信号，与接头蛋白结合，活化核转录因子NF-kB、丝裂原蛋白激酶(MAPK）、p38、IFN诱导因子等转录因子，最终诱导靶基因表达[8]。目前，已经发现了至少有5种不同的转接蛋白参与TLR信号途径，即髓样分化分子88(MyD88）、MyD88-转接体样/TIR-相关蛋白(MAL/TIRAP）、Toll受体相关分子(TRAM）、诱导IFN-P的TIR结构域含有性转接体(TRIF）和 SARM(Sterile A and HEAT/Aimadillo motifs）。其中，MyD88和TRIF可以诱导下游激酶活化从而引起一系列级联反应，而TRAM和MAL/TIRAP可以分别转运MyD88和TRIF激活Toll样受体，接头蛋白SARM则与TLRs信号通路的负调节有关[9]。除TLR3，MyD88是其他所有TLR家族成员信号通路的必需转接分子，因此根据接头蛋白的不同，可以将TLRs的后续信号转导分为MyD88依赖性途径和MyD88非依赖性途径两种。

2.1 My D 8 8依赖性途径 MyD88主要由3个重要结构域组成：“死亡”结构域(DD）、TIR结构域以及中间的INT结构域。结合物激活受体TIR域位于C-末端(TIR结构域是MyD88与TLRs结合所必需的），而N-末端DD结构域主要负责招募IL-1R相关激酶4(IRAK4），是进一步的信号级联反应所必需的[10]。有一种转录变异的MyD88，称为MyD88s，比野生型MyD88缺失了INT结构域，尽管MyD88s同样包含DD结构域，还是无法招募激酶IRAK4，这种转录变异蛋白已被证明是MyD88依赖途径的内源性负调节因子[11]。

TLRs的TIR结构域识别配体后二聚化，结构改变，并由胞内的TIR结构域招募接头蛋白MyD88，MyD88通过其C-端与TIR区发生同源性相互作用，MyD88接头蛋白氨基端的DD募集含有“死亡”功能域的IL-1受体相关激酶(IRAKs）家族(包括 IRAK-1、IRAK-2、 IRAK-M 和IRAK-4，其中IRAK-4是激活MyD88依赖途径信号必须的）[12]，导致IRAKs随即发生自身磷酸化，与受体复合物解离后，高磷酸化的IRAK-1游离进入胞浆内，与肿瘤坏死因子受体相关因子6(TRAF6）结合，由TRAF6激活Ubcl3/TAK1途径，激活 NF-κB诱导的激酶(NIK），NIK进一步激活NF-κB激酶抑制物(IKKs），IKK是一个大的多组分蛋白激酶复合体(>700 ku），它至少包括4种组分，即具有催化活性的IKKa/IKKl、IKKP/IKK2和两个辅助蛋白IKKy/NEMO(NF-kB essential modulator）、IKAP(IKK complex-associated protein）。IKK复合物使得核转录因子NF-κB的抑制成分 IκB磷酸化而降解并与 NF-κB分离，使核因子NF-κB激活而转入细胞核中，与DNA结合发挥转录调控作用，诱导相关基因的表达，分泌炎症因子(如TNF-a，IL-6，IL-8），化学趋化因子等，发挥转录调控作用[13]。此外，TLR还能激活丝裂原活化的蛋白激酶(MAPKs）途径，促使转录激活因子蛋白1(AP-1）等的生成，MAPK信号通路主要参与细胞增殖、分化、转化及凋亡的调节，并与炎症、肿瘤及其他多种疾病密切相关[14]。

Mal是第二个被描述的接头蛋白，C-末端包含TIR结构域。最初认为Mal与MyD88不同，负责非MyD88依赖的信号通路[15]。然而，之后的研究表明Mal不是介导非MyD88信号通路的关键分子，Mal虽然在TLR5介导的MyD88依赖信号通路中不发挥重要的作用，但在TLR2和TLR4介导的MyD88依赖信号通路中发挥着关键作用，是募集MyD88和受体结合的桥联分子[16]。

2.2 My D 8 8非依赖途径 MyD88非依赖性信号转导途径主要介导了TLR3的信号转导，但也有相关研究显示，TLR4除了可以介导MyD88依赖途径，也可以介导MyD88非依赖性途径[17]。MyD88非依赖途径中主要涉及到3种接头蛋白，其中最重要的是TRIF，TRIF包含一个TIR结构域，在C-末端有一个受体作用蛋白同型关联基序(RIP），N-端区域有一个可以和TRAF6结合的T6BM结构域[18]。TRIF能够引起一系列信号级联反应最终激活NF-kB，与前面描述的两种TLR接头分子最大不同之处在于，TRIF还可激活IFN-β启动子；接头蛋白SARM在其C-末端也包含TIR结构域，是一种TRIF依赖途径的负调节因子。SARM的表达阻滞了TRIF信号传导通路，而对MyD88通路无影响，推测SARM可以与TRIF共同作用，阻止TRIF与上游或下游信号通路分子相结合[19]；接头蛋白TRAM包含一个TIR结构域，最初认为TRAM参与了IL-1信号通路，之后的研究表明TRAM基因缺失小鼠的IL-1R信号传导并未受损，TRAM仅在TLR4诱导的信号通路中发挥功能，它的最重要功能是在TLR4的TRIF依赖途径中作为一个桥接蛋白连接TRIF和TLR4[20]。由此引起了一些关于TLR4信号传导的新发现，即TLR4具有两条独特的信号传导通路：一条主要由外源性配体引起的来源于细胞膜上的诱导，介导Mal-MyD88途径；另一条主要由内源性配体引起的信号来源于胞内的诱导，介导TRAM-TRIF 途径[21]。

与TLR4需要接头蛋白TRAM的协同作用才能进行相应的信号传导不同，TLR3可以直接激活TRIF信号传导通路。TLR3活化募集接头蛋白TRIF以后诱导NF-kB活化有两条相互独立的途径。第一条途径类似MyD88依赖性途径，TRIF的氨基端能与TRAF6的梭基端结合，通过TRAF6诱导延迟期NF-kB的活化。第二条NF-kB活化途径与受体相互作用蛋白1(RIPl）有关，TRIF的梭基端的RIP结合结构域与RIP结合后同样可以活化NF-kB，此外，通过这条途径，TLR3还可以诱导细胞凋亡，RIP1与TRIF结合后可以通过Fas相关死亡结构域(FADD），活化Caspase信号转导途径，最终导致细胞凋亡的发生[22]。TLR3活化募集TRIF以后诱导激活IFN-β启动子的途径与干扰素调节因子3(IRF-3）密切相关，TRIF分子可以与TANK结合激酶1(TBKl）、IKKi相互作用，介导IRF3憐酸化，磷酸化的IRF3形成二聚体并移位到核内诱导I型干扰素和干扰素可以诱导基因的表达[23]。

2.3 TLRs信号通路的负调控 一方面，TLRs信号通路的激活可以诱导强烈的免疫应答，有利于机体抵抗病原微生物的感染；另一方面，TLRs的过度活化可以导致的炎性因子过度表达，引起内毒素休克、自身免疫性疾病、心肌损伤及2型糖尿病等病症发展和恶化[24]，还会促进肿瘤特别是炎症相关性肿瘤的发生、转移和免疫逃逸[25]。因此，TLRs信号通路的活化必须受到严密的控制并需要相应的负向调控机制以使机体处于一个相对稳定的状态。正常情况下，机体中存在很多TLRs信号通路的负向调控因子(如上文提到的MyD88s和SARM），可以十分精准的对TLRs信号通路进行负向调节，适当的减弱TLRs的信号强度或直接终止TLRs的信号传导，避免强烈的免疫反应对机体的造成的损伤。参与这种负调节机制的因子主要分以下3种：胞外负调控因子、跨膜负调控因子、胞内负调控因子[26]。其中胞外负调控因子包括可溶性TLRs(sTLRs）、生长停滞特异基因6(Gas6）等，其中sTLRs可以在信号通路初始阶段直接发挥调控作用，减弱TLRs信号，Gas6则可以抑制TLRs介导的炎性反应；跨膜负调控因子主要包括肿瘤发生抑制物(ST2）、防辐射105(Radioprotective 105）、单免疫球蛋白IL-1相关蛋白(SIGIRR）等，这几种负向调节因子主要是影响连接复合体及功能复合体的结合作用；胞内负调控因子包括抑制性锌指蛋白(Triad2A）、细胞因子信号抑制物(SOCS）、肿瘤抑制因子CYLD(Cyclindomatosis）等，主要以泛素化降解、去泛素化及竞争性抑制等方式行使负调控功能。这些调节因子在TLR介导的信号传导通路中形成了一个复杂的负反馈调控网络，维持机体免疫平衡。

3 TLRs与免疫调节作用

TLRs在病原体通过微生物相关分子模式(MAMPs）或者损伤相关分子模式(DAMPs）入侵后产生组织损伤的过程中发挥着天然免疫受体的重要角色。但TLRs的不适宜性的表达水平，可能会引起患者对乙型肝炎病毒(HBV）的感染产生缺陷性免疫应答[27]。针对非洲围产期调查中发现，几种TLRs的多态性复合体与HIV有密切的联系，如果针对这几种复合物进行深入研究，可能会在天然免疫水平对HIV进行预防[28]。TLRs在慢性肝病的发展过程中也起着至关重要的作用，Kesar等发现通过TLRs的治疗操作，可能会提供新的治疗手段用以扭转慢性肝病[29]。Valladares等推测 TLR1、4、9介导的反应，在聚乙烯(Polyethylene，PE）粒子引起颅骨内骨溶解小鼠模型的变化中扮演着决定性的角色，在PE粒子引起的溶骨性病变中TLR2、4高表达，而TLR9则表现为低表达；TLR2、4可能将会作为预防磨损颗粒引起的骨溶性病变的新的治疗靶点[30]。Neill发现小鼠体内TLR11可以对侵入如肾脏的细菌进行反应，并能激活相应的天然免疫应答反应，有效消灭侵入的细菌[31]。利用渗出的白细胞作为组织学检查的测量指标，通过与TLR11敲除鼠的肾脏相比，野生型小鼠肾脏的炎症反应更为严重。因此，TLR11对于预防病原体诱导的自身组织免疫损伤的识别也发挥则会重要的作用[32]。TLRs作为可以增强炎症反应的特殊性免疫受体，肥胖和代谢综合征(MetS）、心血管疾病(CVD）中起着非常重要的作用，而且如果将TLRs作为治疗的靶位点则可能会阻断糖尿病和CVD的不良后遗症[33]。Oliveira等首次报道了躁郁症(Bipolar disorder，BD）与TLR-4在遗传学上存在关联，并在天然免疫中扮演着重要的角色，可能是TLR4表达、传染病易感性的增加及自身免疫能力的改变进而诱发BD的产生[34]。

4 TLRs发展展望

TLRs作为一种模式识别受体，不仅在天然免疫中起重要作用，同时也被视为天然免疫与获得性免疫的连接点，并影响获得性免疫。因此TLRs仍为免疫研究热点，主要有以下几个方面：TLRs家族新成员的发现及其结构与功能的阐明；新的TLRs配体的不断挖掘；TLRs在物种、组织、细胞的分布；TLRs与细胞吞噬和细胞凋亡的调节；新TLRs信号通路的发现；TLRs家族成员之间功能的互相联系与作用；并且随着对TLRs信号通路研究的深入，针对TLRs为靶点的药物研究也正成为一个热点。对于这些问题的研究，将进一步丰富对病原体与宿主免疫反应之间相互作用的了解，为顽固性耐抗生素的感染性疾病、自身免疫性疾病的治疗及肿瘤的免疫治疗提供思路。

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S852.4

B

1008-0589(2014）04-0335-04

10.3969/j.issn.1008-0589.2014.04.20

*Correspondingauthor

2013-03-21

国家自然科学基金面上项目(31172286）

高 明(1970-），男，辽宁阜新人，讲师，主要从事基础兽医学研究.

(本文编辑：赵晓岩）