IRAK4在TLR介导的信号通路中的调节作用

柯 敏 综述，李运璧 审校

(四川省医学科学院· 四川省人民医院儿科，四川 成都 610072)

IRAK4在TLR介导的信号通路中的调节作用

柯 敏 综述，李运璧△审校

(四川省医学科学院· 四川省人民医院儿科，四川 成都 610072)

白细胞介素-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor-associated k inase，IRAK)最初是指在前炎症细胞因子白细胞介素-1(IL-1)诱导下能和白细胞介素-1受体(IL-1R)相结合的一类丝/苏氨酸激酶，后来发现此类蛋白质和果蝇抵抗微生物感染所必须的Toll样受体(Toll like receptor，TLR)通路上的pelle激酶具有高度同源性。IRAK家族共有4个成员：IRAK-1、IRAK-2、IRAK4、IRAK-M，其中IRAK4是新近发现的IRAK家族的成员，并且IRAK-1、IRAK4在TLR介导的信号通路中起正向调节作用，IRAK-2、IRAK-M在TLR介导的信号通路中起负向调节作用。目前研究发现IRAK4通过改变IRAK-1功能或者作为其他信号转换的转接蛋白，在TLR介导的信号通路中对抗外来病原体的免疫反应中具有重要的作用。

1 IRAKs的结构

IRAK家族的4个成员都有一个含丝氨酸和苏氨酸的激酶结构域(kinase domain，KD)和保守的死亡结构域(Death Domain，DD)，除IRAK4之外，其他三个IRAKs都有一个长的C末端结构(C-terminal Domain)。死亡结构域介导与接头分子MyD88相互作用，因此在信号通路中的作用非常关键。proST结构富含丝氨酸(serine，S)、脯氨酸(proline，P)和苏氨酸(threonine，T)，IRAK1的磷酸化位点就在这个区域，该结构域含有一个潜在的富含氨基酸PEST的序列，能够促进其自身的降解[1]，而IRAK2则没有这个结构。激酶结构域含有一个对激酶活性非常重要的活化环，也是ATP的结合部位，因而也与其催化活性相关[2]。IRAK4既有丝氨酸/苏氨酸激酶活性又有酪氨酸激酶活性，已经由两个独立的研究组报道了其晶体结构[3，4]。C末端结构与信号通路中的其他分子如TRAF6及IRAK家族的其他成员结合，IRAK1、IRAK2和IRAKM分别含有3个、2个和1个TNF受体相关因子6(tumor-necrosisfactor receptor associated factor 6，TRAF6)的结构基序[5]。

2 IRAKs对炎症反应的调节机制

研究表明，人类IRAK基因的遗传变异与人类各种炎性疾病和免疫缺失病等的发生有着一定的关系。IRAK1是最早发现的IRAKs，最初被鉴定为IL1介导的信号通路中一个重要成员，诱导后可以被磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)、类泛素化(sumoylation)和乙酰化(acetylation)，不同的修饰可发挥不同的特定功能。IRAK1的上游激酶IRAK4启动其最初的磷酸化[3]，然后迅速激活并发生自身磷酸化，导致泛素化和降解。IRAK1的降解是防止炎症反应过度的一个重要负反馈调节机制[6，7]。

IRAK2最初由Dixit的研究组发现，他们是在人类表达序列标签(EST)数据库搜寻与IRAK1同源的基因时发现的。IRAK2不仅与MyD88相互作用，还可以与TRAF6相互作用，并激活NF-κB依赖的基因表达。Akira的研究小组发现，IRAK2缺失的巨噬细胞在TLR2配体Malp2刺激下，晚期NF-κB的活化削弱，表明IRAK2在维持TLR2介导的NF-κB转录中起重要调节作用[8]。

IRAK4兼具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性和酪氨酸激酶活性，内源性IRAK4以前炎症细胞因子依赖的方式与IRAK1及TRAF6相互作用并使IRAK1磷酸化[9]。IRAK4 基因缺陷的小鼠完全失去了对细菌和病毒攻击的应答，这说明它在天然免疫中起关键的作用[10]。IRAK4激酶活性在IL-1R和TLR介导的细胞因子和趋化因子mRNA的稳定中至关重要，在LPS、R848和IL1的刺激下，IRAK4激酶失活小鼠巨噬细胞中的mRNA稳定性降低[11]。IRAK4激酶活性为LPS诱导的IRAK1和IRAK2修饰所必需，但IRAK1和IRAK2的修饰并不相互依赖，这表明IRAK4是IRAK1和IRAK2上游的激酶。IRAK4激酶活性对TLR介导的前炎症细胞因子mRNA稳定性的调节，很可能是通过IRAK2调节而完成的。然而，IRAK1和IRAK2共同缺失的巨噬细胞在TLR2配体刺激下，NF-κB的活化大为削弱，但并没有完全消失，并不像IRAK4的影响那样大。

3 IRAK4在TLR4信号通路中的作用

研究表明，TLRs家族可以识别不同的微生物配体和内源性配体，根据有无MyD88的参与，可将TLR介导的信号通路分为：MyD88依赖型信号通路和MyD88非依赖型信号通路[12]。其中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MyD88作为调节分子激活下游的炎症信号通路。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IRAK4，IRAK4通过自身磷酸化反应，发挥激酶活性，激活其底物IRAK1，IRAK1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TRAF6形成复合物，导致TRAF6发生低聚作用，进一步通过转接蛋白TAB激活转化生长因子B活化激酶和NF-κB诱导激酶(NIK)，NIK随即活化IkB激酶(IKK)复合物，IKK复合物进而磷酸化IkB，磷酸化的IkB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。

所有的IRAKs都是多区域蛋白，含一个保守的DD的N末端和C末端的一个中央KD[13]。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IRAK1和IRAK4被证明具有激酶活性，而IRAK4是这个家族中唯一一个与D rosophila IRAK样激酶Pelle最具同源性的分子[14]。IRAK4并不和IRAK1以外的其他IRAK分子相作用，并且必须有MyD88参与下IRAK4才能汇聚到TLR/IL-1R复合物，并和IRAK1紧密接触。IRAK4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IRAK1分子磷酸化，也就阻断了下游的信号通路。由此可见，IRAK4的死亡结构域在分子识别、激活下游信号通路中具有相当重要的作用。IRAK4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IRAK4抑制剂提供了分子和结构基础[15]。

4 IRAK4的研究展望

IRAK4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、趋化因子的表达外，另外也有研究发现，IRAK4过表达可以增强LPS诱导的NADPH氧化酶活性[16]，主要是通过IRAK4磷酸化P47phox，从而激活NADPH氧化酶，诱导下游的p38 MAPK的信号转导。这就将IRAK4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，更是广泛参与了细胞内反应的网络性调节。现阶段，IRAK4的晶体结构已经阐明，可以由此设计出针对IRAK4特异性的药物，或者通过基因治疗手段干预IRAK4的表达，阻断IRAK4激酶活性或者阻碍其与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IRAK4的细胞内表达IRAK4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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IRAK4 in the regulating role in the TLR signaling pathways

KE Min，LI Yun-bi

2016-02-22)

△通讯作者，硕士生导师