Toll樣受體在抗感染免疫中的作用①

付志玲 郭 風(fēng) 劉 禹 楊艷紅 張 輝 趙 雪 李 維 馬思慧 鄭 鑫

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春130118)

對病原微生物的識別是啟動先天性免疫應(yīng)答反應(yīng)(如炎癥反應(yīng))的一個重要因素，是由編碼的模式識別受體(PRRs)所介導(dǎo)，識別病原微生物所共有的分子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為病原相關(guān)的分子模式(PAMPs)［1］。在 PAMPs中，PRRs啟動一系列嚴(yán)格的信號程序來完成機體第一道防線殺滅感染性微生物的防御反應(yīng)。此外，PRR信號還可以誘導(dǎo)樹突細胞(DCs)的成熟，這是負責(zé)警報的機體的第二道防線，因此被稱作適應(yīng)性免疫。

Toll樣受體(TLRsS)是第一類被確認的PRRs。它們具有最良好的特性和識別廣泛的病原相關(guān)分子模式［2-5］。TLRs是Ⅰ型跨膜蛋白，在細胞表面和胞內(nèi)相關(guān)囊泡中均有表達，它們是由一個胞外域，一個跨膜區(qū)和胞質(zhì)Toll-IL-1受體域組成的，其中胞外域由富含亮氨酸重復(fù)序列組成，用來調(diào)節(jié)對病原相關(guān)分子模式的識別;胞質(zhì)Toll-IL-1受體域用來激活下游區(qū)的信號通道。到目前為止，TLRs的10種功能已經(jīng)在人上被確定，12種功能在小鼠中被發(fā)現(xiàn)。各TLR 識別不同的PAMPs，如，TLR1、TLR2和TLR6識別脂蛋白類，TLR3識別雙鏈RNA，TLR4識別脂多糖，TLR5識別鞭毛蛋白，TLR7和 TLR8識別單鏈RNA，而TLR9則識別DNA［2］。在識別病原分子模型時，TLRs能夠在TIR區(qū)域募集一套特殊的銜接分子(如，MyD88和TIF)，并且啟動下游區(qū)的信號通道來促使炎性細胞因子、Ⅰ型IFN、化學(xué)因子和抗微生物肽的分泌［6］。這些反應(yīng)能夠引起中性粒細胞的募集和巨噬細胞的活化等，進而直接殺死感染的病原體。此外，TLR信號的活化可以促使DCs細胞的成熟，有助于誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)的發(fā)生。

完整的微生物通常是由很多PAMPs組成的，這些PAMPs可以激活多個PRRs。然而，不同的PRRs也可能識別同一個PAMP。因此，TLRs既可以啟動特異性病原免疫應(yīng)答反應(yīng)，又能夠啟動細胞特異性免疫應(yīng)答反應(yīng)來抵抗病原微生物的感染。本文描述了TLRs在誘導(dǎo)先天性免疫應(yīng)答反應(yīng)中對細菌、病毒、和真菌等不同病原體的作用。

1 TLRs的細胞定位

TLR1、TLR2、TLR4、TLR5 和 TLR6 集中在細胞的表面，廣泛識別微生物的膜成分;而TLR3、TLR7、TLR8和TLR9則在胞內(nèi)的囊泡中表達，識別大量的核酸［7］。近來的研究表明，TLR11也在細胞內(nèi)表達，并且與TLR5在細胞表面的表達有一定的關(guān)系［8］。盡管TLR3的同源PAMP沒有被確定，但是，它也在細胞內(nèi)表達［7］。

病毒、其他病原和被感染的細胞被吸收后，其核酸將會被傳達到細胞內(nèi)的小室中，而TLRs中細胞內(nèi)小室的定位正好能夠激活其對核酸的識別作用。而細胞的核酸一旦出現(xiàn)在細胞核外環(huán)境時，就會快速地被核酸酶所分解，不能夠進入到它們的細胞囊泡中。因此，細胞內(nèi)的定位對于避免與自身核酸發(fā)生反應(yīng)而引起的自身免疫疾病有很重要的作用。TLR3、TLR7、TLR8和TLR9都被隔離在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，通過高爾基體轉(zhuǎn)移至內(nèi)顆粒中，在內(nèi)顆粒中接觸其同源PAMPs并對這些PAMPs產(chǎn)生反應(yīng)。

TLR的運轉(zhuǎn)還受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中其他蛋白的控制，如 PRAT4A 和 gp96。PRAT4A 控制 TLR1、TLR2、TLR4、TLR7和TLR9從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的轉(zhuǎn)出并轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜和內(nèi)顆粒中［9］。但是，它不影響TLR3的轉(zhuǎn)運，這說明TLR3的轉(zhuǎn)運調(diào)控不同于TLR7和TLR9。Gp96是固定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的熱激蛋白90家族的一員，作為大多數(shù)TLRs的分子伴侶，包括細胞表面的TLR1、TLR2、TLR4和 TLR5以及細胞內(nèi)的 TLR7和 TLR9［9］。

2TLRs對細菌PAMPs的識別

細菌的多數(shù)PAMPs都是被TLRs檢測到的。細菌細胞壁的成分被細胞表面的TLRs所廣泛識別，而核酸則被細胞內(nèi)TLRs識別。革蘭氏陰性菌的脂多糖被TLR4識別，TLR2能夠識別革蘭氏陽性和陰性菌的多種 PAMPs、脂蛋白類和肽聚糖［2］。TLR2可以和TLR1、TLR6或其他的細胞表面分子形成異二聚體來識別PAMP的中間結(jié)構(gòu);TLR2-TLR1異二聚體識別革蘭氏陰性菌的三?；模鳷LR2-TLR6異二聚體識別革蘭氏陽性菌的二?；?。細菌鞭毛的鞭毛蛋白成分則被 TLR5所識別。TLR11在腎臟和膀胱得到高表達，盡管還沒有發(fā)現(xiàn)同源的PAMP，但是，它與腎盂腎炎性細菌成分的識別有關(guān)系。

細菌基因組 DNA是被 TLR9所識別的［2］。TLR9識別未甲基化的2’-脫氧核糖(胞嘧啶-磷酸鳥嘌呤)(CpG)DNA，這種DNA經(jīng)常存在于細菌和病毒中，很少存在于哺乳動物中，而且，有研究表明，TLR9能夠識別DNA的糖-磷酸鹽主鏈［10］。如果脊椎動物的DNA通過轉(zhuǎn)染試劑進入到細胞內(nèi)的話，TLR9也能夠識別。因此，對于TLR9的識別來說，重要的是DNA的位置，而不是DNA的特異序列、突變或者物種來源。此外，TLR9和CpG-DNA之間的相互作用是由宿主蛋白促進的，如由巨噬細胞和樹突狀細胞釋放到細胞外的HMGB蛋白和顆粒［11，12］。研究顯示，病毒的RNA也是具有免疫刺激性的，TLR7就是識別溶酶體內(nèi) B組鏈球菌RNA的受體［13］。

3 TLRs在針對細菌的先天性免疫應(yīng)答中的作用

已有實驗通過缺乏TLRs的鼠模型進行研究TLRs在體內(nèi)細菌感染中的作用。鼠傷寒沙門氏菌、革蘭氏陰性菌可以在巨噬細胞內(nèi)進行復(fù)制，它們至少有四種PAMPs可以被TLRs所識別。脂蛋白(被TLR2識別)、脂多糖(被TLR4識別)、鞭毛蛋白(被TLR5 識別)和 CpG-DNA(被 TLR9 識別)［14］。缺乏TLR4的鼠比對照鼠更易感沙門氏桿菌，但缺乏TLR2卻對鼠的存活率沒有影響［15］，這表明在沒有TLR4的情況下，TLR2介導(dǎo)的免疫應(yīng)答反應(yīng)仍然能夠發(fā)揮作用。然而，當(dāng)TLR2和TLR4雙重缺乏的鼠感染低濃度菌后仍有存活，其感染的菌可能來自于被感染的野生鼠。

在腹膜感染沙門氏桿菌、鼻內(nèi)感染綠膿桿菌和尿道感染大腸桿菌后，TLR5也能起到保護機體的作用［16，17］。但是，當(dāng)經(jīng)口感染沙門氏桿菌時，TLR5 反而會對機體產(chǎn)生毒害作用。在TLR5缺乏的鼠中，隨著細菌從腸道向腸系膜淋巴結(jié)的減少，鼠的存活率也開始升高［18］。因此，隨著細菌濃度和感染途徑的不同，TLR5可能是對機體有益的，也可能是有害的。近來研究表明，TLR2-TLR4雙基因敲除的鼠對口腔感染的沙門氏桿菌顯示了很高的易感性，而TLR2-TLR4-TLR9三基因敲除的鼠卻顯示了很低的易感性，而且三基因敲除的鼠在細胞因子誘導(dǎo)的表型上卻比雙基因敲除的鼠更嚴(yán)重［19］。當(dāng)三種TLRs都缺乏時，細菌不能夠正向調(diào)節(jié)沙門氏桿菌的基因，這些基因所編碼的蛋白是菌體在包含沙門氏菌的空泡中存活所必需的，因此細菌不能夠在巨噬細胞中進行復(fù)制。因此，沙門氏菌可能是利用TLRs作為支持他們致病基因表達的信號。

4 TLRs對病毒核酸的識別

病毒核酸可以作為PAMPs而被多種TLRs識別。TLR3、TLR7、TLR8和TLR9都與病毒核酸的識別相關(guān)，病毒核酸中的雙鏈RNA(dsRNA)被TLR3識別，單鏈 RNA(ssRNA)被 TLR7和 TLR8識別，DNA則被TLR9所識別［7］。識別核酸標(biāo)志的TLRs能夠有效地促進Ⅰ型IFN和其他能夠被所有的TLRs誘導(dǎo)的炎性因子的產(chǎn)生。

最初發(fā)現(xiàn)，TLR3能夠識別dsRNA聚肌苷酸胞苷酸［poly(I:C)］的類似化合物。后又有研究發(fā)現(xiàn)，TLR3還能夠識別來自dsRNA病毒、ssRNA病毒在復(fù)制期間產(chǎn)生的病毒基因組 RNA［2，7］。TLR7和人類的TLR8間接地識別ssRNA病毒的ssRNA和抗病毒化合物的咪唑-喹啉成分［2，7］。TLR7和TLR9都能夠通過pDCs進行高表達［2，7，20，21］。而且，pDCs能夠識別細胞質(zhì)中正在復(fù)制的病毒，如VSV。細胞溶質(zhì)的病毒RNA通過自吞的方式進入到溶酶體中，這是與細胞器和病原的溶酶體分解有關(guān)的過程，從而導(dǎo)致 TLR7間接地識別和其信號的活化［22］。TLR8在大多數(shù)組織中都有表達，而在單核細胞中的表達量最大。TLR9識別DNA病毒的富含CpG-DNA序列的病毒DNA。TLR9主要與HSV-1、HSV-2 和 MCMV 的識別相關(guān)［2，7，20，21］。

5 TLR3在控制病毒感染中的作用

盡管TLR3能夠觸發(fā)Ⅰ型IFN和其他炎性因子的產(chǎn)生，但TLR3在體內(nèi)抗病毒感染中的必要性仍存在爭議。TLR3缺乏小鼠比對照小鼠更易感MCMV，很可能是Ⅰ型 IFN、IL-12p40及 IFN-γ誘導(dǎo)產(chǎn)物減少和NK及NKT細胞活性降低的原因［23］。TLR3介導(dǎo)的IFN-γ是抵抗柯薩奇病毒感染所必需的，而不是Ⅰ型IFN［24］。并且，TLR3缺乏鼠對惡性的WNV更易感，進入CNS的早期病毒和周邊組織中病毒效價都有所升高［25］。這些發(fā)現(xiàn)表明，TLR3介導(dǎo)的RNA識別促進了保護性免疫。然而，有研究顯示，TLR3促進發(fā)病而不是促進保護。缺乏TLR3的小鼠感染W(wǎng)NV后顯示其存活率增加，外周組織中的炎性細胞因子減少，由于降低了血腦屏障的通透性，從而抑制了病毒進入到腦中［26］。感染IAV的TLR3缺乏小鼠實驗也顯示了存活率升高，但在肺臟中卻有較高的病毒存留［27］。存活率的升高可能是由于IAV誘導(dǎo)的過剩細胞因子的廢除，這些細胞因子對機體是有害的。而且，有報道說在抗病毒反應(yīng)中TLR3不是必需的，因為TLR3缺乏并不影響存活率或CD4+T和CD8+T細胞對MCMV、呼腸孤病毒、腦炎病毒和VSV感染的反應(yīng)［28］。

6 TLRs對真菌PAMPs的識別作用

在免疫功能低下的患者中，入侵性念珠菌的感染是很致命。先天性免疫通過DCs識別念珠菌感染能夠誘導(dǎo)大批的炎性因子產(chǎn)生和上調(diào)共刺激分子，這有助于Th1、Th2、Th17和Treg細胞中未致敏T細胞的分化。在白色念珠菌感染的小鼠模型中，Th1和Th17細胞的應(yīng)答反應(yīng)是抗感染的關(guān)鍵，而Th2和Treg細胞的應(yīng)答反應(yīng)則抑制先天性免疫反應(yīng)，這對機體是有害的。念珠菌 spp含有多個PAMPs，如，β-葡聚糖、殼多糖、甘露聚糖、蛋白類以及核酸，這些 PAMPs只是被 5種 TLRs(TLR2、TLR4、TLR6、TLR7和 TLR9)和CLRs以及NLRs所識別［29，30］。TLR2 缺乏小鼠產(chǎn)生低水平的 TNF-α 和炎性趨化因子，而且比對照鼠更易感散播性念珠菌。而且，TLR2缺乏小鼠再一次感染白色念珠菌時其抗體的產(chǎn)生量比對照鼠要低［31］。TLR6-TLR2異二聚體識別酵母多糖，TLR6缺乏能夠一定程度的影響白色念珠菌感染后細胞因子的產(chǎn)物。但是，TLR6缺乏小鼠并沒有顯示出易感性的升高［29］。

TLR4識別由酵母菌和白色念珠菌表達的甘露聚糖，而致使如 TNF-α 等細胞因子的產(chǎn)生［29］。TLR4在機體抵抗念珠菌感染中的作用很難解釋。研究顯示，TLR4缺乏的C3H/HeJ小鼠比對照鼠更易感白色念珠菌，這應(yīng)該與巨噬細胞的炎性趨化因子產(chǎn)物的減少和中性白細胞聚集受損相關(guān)。而且，TLR4缺乏小鼠對酵母念珠菌的再次感染依然還比較易感。相反，其他的研究顯示，TLR4缺乏不影響對酵母念珠菌的易感性，而且，當(dāng)感染念珠菌后，TLR4缺乏鼠的存活時間要比對照鼠長［29］。細胞表面的TLRs外，胞內(nèi)TLRs(如TLR7和TLR9)也參與對真菌核酸的識別。真菌DNA能夠通過TLR9刺激DCs產(chǎn)生炎性細胞因子［30］。

7 展望

在過去的二十年間，對認知免疫系統(tǒng)如何監(jiān)測病原微生物并做出應(yīng)答反應(yīng)進行了很多的研究，TLRs的特異性配體下的機制、信號通路和細胞轉(zhuǎn)運等都已經(jīng)被廣泛地描述。然而，病原微生物包括很多PAMPs，這些PAMPs既能活化TLRs，也能活化其他的PRRs，現(xiàn)在已經(jīng)清楚，在誘導(dǎo)有效地先天性免疫應(yīng)答反應(yīng)中，TLRs和其他PRRs的相互作用是必需的。但是，由于免疫系統(tǒng)比較復(fù)雜，所以，我們對于識別病原微生物的先天性免疫和不同PRRs間的相互作用知道的相對較少，而且，對于先天性免疫系統(tǒng)怎樣控制和誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫的機制也所知不多。因此，需要對每一個PRR缺乏的模型和不同PRRs間相互聯(lián)合的模型進行研究和綜合分析，以至于讓我們能夠完全理解這個復(fù)雜的程序。

［1］Janeway CA.Approaching the asymptote?Evolution and revolution in immunology［J］.Cold Spring Harb Symp Quant Biol，1989，54:1-13.

［2］Akira S，Uematsu S，Takeuchi O.Pathogen recognition and innate immunity［J］.Cell，2006，124:783-801.

［3］Beutler BA.TLRs and innate immunity［J］.Blood，2009，113:1399-1407.

［4］Hoffmann JA.The immune response of Drosophila［J］.Nature，2003，426:33-38.

［5］Medzhitov R.Recognition of microorganisms and activation of the immune response［J］.Nature，2007，449:819-826.

［6］Kawai T，Aaira S.The role of pattern-recognition receptors in innate immunity:Update on Toll-like receptors［J］.Nat Immunol，2010，11:373-384.

［7］Blasius AL，Beutler B.Intracellular toll-like receptors［J］.Immunity，2010，32:305-315.

［8］Pifer R，Benson A，Ssurge CR，et al.UNC93B1 is essential for TLR11 activation and IL-12-dependent host resistance to Toxoplasma gondii［J］.J Biol Chem，2011，286:3307-3314.

［9］Saitoh S，Miyake K.Regulatory molecules required for nucleotidesensing Toll-like receptors［J］.Immunol Rev，2009，227:32-43.

［10］Haas T，Metzger J，Schmitz F，et al.The DNA sugar backbone 20 deoxyribose determines toll-like receptor 9 activation［J］.Immunity，2008，28:315-323.

［11］Park B，Buti L，Lee S，et al.Granulin is a soluble cofactor for Toll-like Receptor 9 signaling［J］.Immunity，2011，34:505-513.

［12］Yanai H，Ban T，Wang Z，et al.HMGB proteins function as universal sentinels for nucleic-acid-mediated innate immune responses［J］.Nature，2009，462:99-103.

［13］Mancuso G，Gambuzza M，Midiri A，et al.Bacterial recognition by TLR7 in the lysosomes of conventional dendritic cells［J］.Nat Immunol，2009，10:587-594.

［14］Gerold G，Zychlinsky A，de Diego JL.What is the role of Tolllike receptors in bacterial infections? ［J］.Semin Immunol，2007，19:41-47.

［15］Weiss DS，Raupach B，Takeda K，et al.Toll-like receptors are temporally involved in host defense［J］.J Immunol，2004，172:4463-4469.

［16］Andersen-Nissen E，Hawn TR，Smith K D，et al.Cutting edge:TlR5－/－mice are more susceptible to Escherichia coli urinary tract infection［J］.J Immunol，2007，178:4717-4720.

［17］Feuillet V，Medjane S，Mondor I，et al.Involvement of Toll-like receptor 5 in the recognition of flagellated bacteria［J］.Proc Natl Acad Sci，2006，103:12487-12492.

［18］Uematsu S，Jang MH，Chevrier N，et al.Detection of pathogenic intestinal bacteria by Toll-like receptor 5 on intestinal CD11c+lamina propria cells［J］.Nat Immunol，2006，7:868-874.

［19］Appaia N，Ggodec J，Lau L，et al.TLR signaling is required for Salmonella typhimurium virulence［J］.Cell， 2011，144:675-688.

［20］Gilliet M，Cao W，Li YJ.Plasmacytoid dendritic cells:Sensing nucleic acids in viral infection and autoimmune diseases［J］.Nat Rev Immunol，2008，8:594-606.

［21］Reizis B，Bunin A，Ghosh HS，et al.Plasmacytoid dendritic cells:recent progress and open questions［J］.Annu Rev Immunol，2011，29:163-183.

［22］Lee HK，Lund JM，Ramanathan B，et al.Autophagy-dependent viral recognition by plasmacytoid dendritic cells［J］.Science，2007，315:1398-1401.

［23］Tabeta K，Georgel P，Janssen E，et al.Toll-like receptors 9 and 3 as essential components of innate immune defense against mouse cytomegalo-virus infection［J］.Proc Natl Acad Sci，2004，101:3516-3521.

［24］Negishi H，Osawa T，Ogami K，et al.A critical link between Toll-like receptor 3 and type II interferon signaling pathways in antiviral innate immunity［J］.Proc Natl Acad Sci，2008，105:20446-20451.

［25］Daffis S，Samuel MA，Suthar MS，et al.Toll-like receptor 3 has a protective role against West Nile virus infection［J］.J Virol，2008，82:10349-10358.

［26］Wang T，Town T，Alexopoulou，et al.Toll-like receptor 3 mediates WestNilevirus entry intothe brain causing lethal encephalitis［J］.Nat Med，2004，10:1366-1373.

［27］Le Goffic R，Balloy V，Lagranderie M，et al.Detrimental contribution of the Toll-like receptor(TLR)3 to influenza A virusinduced acute pneumonia［J］.PLoS Pathog，2006，2:e53.

［28］Edelmann KH，Richardson-burns S，Alexopoulou L，et al.Does Toll-like receptor 3 play a biological role in virus infections?［J］.Virology，2004，322:231-238.

［29］Netea MG，Marodi L.Innate immune mechanisms for recognition and uptake of Candida species［J］.Trends Immunol，2010，31:346-353.

［30］Romani L.Immunity to fungal infections［J］.Nat Rev Immunol，2011，11:275-288.

［31］Bellocchio S，Montagnoli C，Bozza S，et al.The contribution of the Toll-like/IL-1 receptor superfamily to innate and adaptive immunity to fungal pathogens in vivo［J］.J Immunol，2004，172:3059-3069.