Toll-подобные рецепторы ( TLR ) представляют собой класс белков , которые играют ключевую роль в системе врожденного иммунитета . Это однопроходные рецепторы, обычно экспрессируемые на сторожевых клетках, таких как макрофаги и дендритные клетки , которые распознают структурно консервативные молекулы, полученные от микробов . Как только эти микробы достигают физических барьеров, таких как кожа или слизистая оболочка кишечника , они распознаются TLR, которые активируют реакции иммунных клеток . TLR включают TLR1 , TLR2 , TLR3 , TLR4 , TLR5 , TLR6 , TLR7 , TLR8 , TLR9 , TLR10 , TLR11 , TLR12 и TLR13. У людей отсутствуют гены TLR11, TLR12 и TLR13 [1] , а у мышей отсутствует функциональный ген TLR10. [2] Рецепторы TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6 и TLR10 расположены на клеточной мембране , тогда как TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9 расположены во внутриклеточных везикулах (поскольку они являются сенсорами нуклеиновых кислот ). [3]
TLR получили свое название из-за сходства с белком, кодируемым геном toll. [4]
Способность иммунной системы распознавать молекулы , которые широко распространены у патогенов , отчасти обусловлена наличием иммунных рецепторов, называемых толл-подобными рецепторами (TLR), которые экспрессируются на мембранах лейкоцитов , включая дендритные клетки , макрофаги , естественные клетки-киллеры , клетки адаптивного иммунитета Т-клетки и В-клетки , а также неиммунные клетки ( эпителиальные и эндотелиальные клетки и фибробласты ). [5]
Связывание лигандов — либо в форме адъюванта, используемого при вакцинации , либо в форме инвазивных фрагментов во время естественной инфекции — с TLR знаменует собой ключевые молекулярные события, которые в конечном итоге приводят к врожденным иммунным реакциям и развитию антигенспецифического приобретенного иммунитета. [6] [7]
После активации TLR привлекают адаптерные белки (белки, которые опосредуют другие белок-белковые взаимодействия) в цитозоле иммунной клетки для распространения антиген-индуцированного пути передачи сигнала . Эти привлеченные белки затем отвечают за последующую активацию других нижестоящих белков, включая протеинкиназы (IKKi, IRAK1 , IRAK4 и TBK1 ), которые дополнительно усиливают сигнал и в конечном итоге приводят к повышению регуляции или подавлению генов , которые организуют воспалительные реакции и другие транскрипционные события. Некоторые из этих событий приводят к продукции цитокинов , пролиферации и выживанию, в то время как другие приводят к большему адаптивному иммунитету. [7] Если лиганд является бактериальным фактором, патоген может быть фагоцитирован и переварен, а его антигены представлены CD4+ T-клеткам . В случае вирусного фактора инфицированная клетка может отключить свой синтез белка и может подвергнуться запрограммированной клеточной смерти ( апоптозу ). Иммунные клетки, обнаружившие вирус, также могут выделять противовирусные факторы, такие как интерфероны .
Также было показано, что Toll-подобные рецепторы являются важным связующим звеном между врожденным и адаптивным иммунитетом благодаря их присутствию в дендритных клетках . [8] Флагеллин , лиганд TLR5, вызывает секрецию цитокинов при взаимодействии с TLR5 на человеческих Т-клетках. [8]
TLR являются типом рецептора распознавания образов (PRR) и распознают молекулы, которые широко распространены среди патогенов , но отличаются от молекул хозяина, которые в совокупности называются молекулярными паттернами, ассоциированными с патогенами (PAMP). В дополнение к распознаванию экзогенных PAMP, TLR также могут связываться с эндогенными молекулярными паттернами, ассоциированными с повреждениями (DAMP), такими как белки теплового шока (HSP) или компоненты плазматической мембраны. [9] TLR вместе с рецепторами интерлейкина-1 образуют суперсемейство рецепторов , известное как «суперсемейство рецепторов интерлейкина-1/toll-подобных рецепторов»; все члены этого семейства имеют общий так называемый домен TIR (toll-IL-1 рецептор).
Существуют три подгруппы доменов TIR. Белки с доменами TIR подгруппы 1 являются рецепторами для интерлейкинов , которые продуцируются макрофагами , моноцитами и дендритными клетками , и все они имеют внеклеточные домены иммуноглобулина (Ig). Белки с доменами TIR подгруппы 2 являются классическими TLR и связываются напрямую или косвенно с молекулами микробного происхождения. Третья подгруппа белков, содержащих домены TIR, состоит из адаптерных белков , которые являются исключительно цитозольными и опосредуют сигнализацию от белков подгрупп 1 и 2.
TLR присутствуют как у позвоночных, так и у беспозвоночных . Молекулярные строительные блоки TLR представлены в бактериях и растениях, а рецепторы распознавания образов растений , как хорошо известно, необходимы для защиты хозяина от инфекции. Таким образом, TLR, по-видимому, являются одним из самых древних, сохранившихся компонентов иммунной системы .
В последние годы TLR были также идентифицированы в нервной системе млекопитающих. Члены семейства TLR были обнаружены на глиальных клетках, нейронах и на нейронных прогениторных клетках, в которых они регулируют решение о судьбе клеток. [10]
Было подсчитано, что большинство видов млекопитающих имеют от десяти до пятнадцати типов рецепторов, подобных Toll. Тринадцать TLR (называемых просто TLR1 - TLR13) были идентифицированы у людей и мышей вместе, и эквивалентные формы многих из них были обнаружены у других видов млекопитающих. [11] [12] [13] Однако эквиваленты определенных TLR, обнаруженных у людей, присутствуют не у всех млекопитающих. Например, ген, кодирующий белок, аналогичный TLR10 у людей, присутствует у мышей , но, по-видимому, был поврежден в какой-то момент в прошлом ретровирусом . С другой стороны, мыши экспрессируют TLR 11, 12 и 13, ни один из которых не представлен у людей. Другие млекопитающие могут экспрессировать TLR, которые не встречаются у людей. Другие виды не млекопитающих могут иметь TLR, отличные от млекопитающих, как показано на примере TLR14, направленного против клеточной стенки, который обнаружен у рыбы-собаки Такифугу . [14] Это может усложнить процесс использования экспериментальных животных в качестве моделей врожденного иммунитета человека.
TLR позвоночных делятся по сходству на семейства TLR 1/2/6/10/14/15, TLR 3, TLR 4, TLR 5, TLR 7/8/9 и TLR 11/12/13/16/21/22/23. [14]
Участие toll-сигнализации в иммунитете было впервые продемонстрировано на плодовой мушке Drosophila melanogaster . [19] У плодовых мушек есть только врожденные иммунные реакции, что позволяет исследованиям избегать вмешательства адаптивных иммунных механизмов в передачу сигнала. Реакция мух на грибковую или бактериальную инфекцию происходит через два отдельных сигнальных каскада, один из которых является путем toll, а другой - путем иммунодефицита . Путь toll похож на сигнализацию TLR млекопитающих, но в отличие от TLR млекопитающих, toll не активируется напрямую патоген-ассоциированными молекулярными паттернами ( PAMP ). Его рецепторный эктодомен распознает расщепленную форму цитокина spätzle, который секретируется в гемолимфе как неактивный димерный предшественник. Рецептор toll разделяет цитоплазматический домен TIR с TLR млекопитающих, но эктодомен и внутрицитоплазматический хвост отличаются. Это различие может отражать функцию этих рецепторов как рецепторов цитокинов, а не PRR .
Путь Toll активируется различными стимулами, такими как грамположительные бактерии , грибы и факторы вирулентности . [17] [20] Во-первых, фермент обработки Spätzle (SPE) активируется в ответ на инфекцию и расщепляет Spätzle ( spz ). Затем расщепленный Spätzle связывается с рецептором Toll и сшивает его эктодомены. Это запускает конформационные изменения в рецепторе, что приводит к передаче сигнала через Toll. С этого момента каскад сигналов очень похож на передачу сигнала млекопитающих через TLR. Комплекс сигналов, индуцированных Toll (TICS), состоит из MyD88 , Tube и Pelle (ортолог IRAK млекопитающих). Сигнал от TICS затем передается в Cactus (гомолог млекопитающего IκB ), фосфорилированный Cactus полиубиквитинируется и деградирует, что позволяет осуществить ядерную транслокацию DIF (фактор иммунитета, связанный с дорсальной частью; гомолог млекопитающего NF-κB ) и индуцировать транскрипцию генов антимикробных пептидов (AMP), таких как дросомицин . [21]
У дрозофилы имеется в общей сложности 9 генов семейства toll и 6 генов семейства spz , которые взаимодействуют друг с другом в разной степени. [22]
TLR2 также обозначен как CD282 (кластер дифференциации 282).
TLR3 не использует зависимый от MyD88 путь. Его лигандом является ретровирусная двухцепочечная РНК ( dsRNA ), которая активирует зависимый от TRIF сигнальный путь. Для изучения роли этого пути в ретровирусном перепрограммировании были подготовлены методы нокдауна TLR3 или TRIF, и результаты показали, что для полной индукции экспрессии целевого гена вектором экспрессии ретровируса требуется только путь TLR3. Эта ретровирусная экспрессия четырех факторов транскрипции ( Oct4 , Sox2 , Klf4 и c-Myc ; OSKM) индуцирует плюрипотентность в соматических клетках. Это подтверждается исследованием, которое показывает, что эффективность и количество генерации человеческих iPSC с использованием ретровирусных векторов снижаются при нокдауне пути пептидными ингибиторами или нокдауном shRNA TLR3 или его адаптерного белка TRIF. В совокупности стимуляция TLR3 вызывает значительные изменения в ремоделировании хроматина и ядерном перепрограммировании, а для этих изменений необходима активация воспалительных путей, индукция генов плюрипотентности и генерация колоний человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC). [23]
Как отмечено выше, клетки человека не экспрессируют TLR11 , но мышиные клетки экспрессируют. Специфичный для мышей TLR11 распознает уропатогенную E. coli и паразита-апикомплексана Toxoplasma gondii . Для Toxoplasma его лигандом является белок профилин, а для E. coli лигандом является флагеллин . Флагеллин из энтеропатогена Salmonella также распознается TLR11. [24]
Поскольку мышиный TLR11 способен эффективно распознавать сальмонеллу , нормальные мыши не заражаются оральным Salmonella Typhi , который вызывает гастроэнтерит и брюшной тиф у людей, передающийся через пищу и воду. С другой стороны, мыши с дефицитом TLR11 эффективно заражаются. В результате эта мышь с нокаутом может выступать в качестве модели заболевания брюшным тифом человека. [25]
Toll-подобные рецепторы связываются и активируются различными лигандами, которые, в свою очередь, расположены на различных типах организмов или структур. Они также имеют различные адаптеры для реагирования на активацию и иногда располагаются на поверхности клетки, а иногда и во внутренних клеточных компартментах . [26] Кроме того, они экспрессируются различными типами лейкоцитов или другими типами клеток :
Из-за специфичности toll-подобных рецепторов (и других врожденных иммунных рецепторов) их нельзя легко изменить в ходе эволюции, эти рецепторы распознают молекулы, которые постоянно связаны с угрозами (например, патоген или клеточный стресс) и являются высокоспецифичными к этим угрозам (например, их нельзя спутать с собственными молекулами, которые обычно экспрессируются в физиологических условиях). Считается, что ассоциированные с патогеном молекулы, которые отвечают этому требованию, имеют решающее значение для функции патогена и их трудно изменить посредством мутации; говорят, что они эволюционно консервативны. Несколько консервативных особенностей у патогенов включают бактериальные липополисахариды клеточной поверхности (ЛПС), липопротеины , липопептиды и липоарабиноманнан ; белки, такие как флагеллин из бактериальных жгутиков ; двухцепочечная РНК вирусов; или неметилированные CpG- островки бактериальной и вирусной ДНК ; а также CpG-островки, обнаруженные в промоторах эукариотической ДНК; а также некоторые другие молекулы РНК и ДНК. Поскольку лиганды TLR присутствуют в большинстве патогенов, они также могут присутствовать в вакцинах, полученных из патогенов (например, вакцины против кори, паротита, краснухи, гриппа, полиомиелита), большинство коммерчески доступных вакцин были оценены на предмет способности их лигандов TLR активировать различные подмножества иммунных клеток. [46] [47] Для большинства TLR специфичность распознавания лигандов в настоящее время установлена с помощью генного таргетирования (также известного как «выключение гена»): метода, с помощью которого отдельные гены могут быть выборочно удалены у мышей. [48] [49] См. таблицу выше для краткого изложения известных лигандов TLR.
Стереотипная воспалительная реакция, спровоцированная активацией толл-подобных рецепторов, породила предположение о том, что эндогенные активаторы толл-подобных рецепторов могут участвовать в аутоиммунных заболеваниях. TLRs подозреваются в связывании с молекулами хозяина, включая фибриноген (участвует в свертывании крови ), белки теплового шока (HSP), HMGB1 , компоненты внеклеточного матрикса и собственную ДНК (обычно она разрушается нуклеазами, но при воспалительных и аутоиммунных состояниях она может образовывать комплекс с эндогенными белками, становиться устойчивой к этим нуклеазам и получать доступ к эндосомальным TLRs как TLR7 или TLR9). Эти эндогенные лиганды обычно вырабатываются в результате нефизиологической гибели клеток. [50]
Считается, что TLR функционируют как димеры . Хотя большинство TLR, по-видимому, функционируют как гомодимеры , TLR2 образует гетеродимеры с TLR1 или TLR6, причем каждый димер имеет различную лигандную специфичность. TLR могут также зависеть от других корецепторов для полной чувствительности к лигандам, например, в случае распознавания TLR4 LPS , для которого требуется MD-2. Известно, что CD14 и белок, связывающий LPS ( LBP ), облегчают презентацию LPS MD-2.
Набор эндосомальных TLR, включающий TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9, распознает нуклеиновую кислоту, полученную из вирусов, а также эндогенные нуклеиновые кислоты в контексте патогенных событий. Активация этих рецепторов приводит к выработке воспалительных цитокинов , а также интерферонов типа I ( интерферон типа I ), помогающих бороться с вирусной инфекцией.
Адаптерные белки и киназы, которые опосредуют сигнализацию TLR, также были объектом исследования. Кроме того, случайный мутагенез зародышевой линии с ENU использовался для расшифровки сигнальных путей TLR. При активации TLR привлекают адаптерные молекулы в цитоплазме клеток для распространения сигнала. Известно, что в передаче сигнала участвуют четыре адаптерные молекулы. Эти белки известны как MyD88 , TIRAP (также называемый Mal), TRIF и TRAM (TRIF-related adapter Molecule). [51] [52] [53]
Сигнализация TLR делится на два отдельных сигнальных пути: путь, зависящий от MyD88, и путь, зависящий от TRIF.
MyD88-зависимый ответ происходит при димеризации TLR и используется каждым TLR, кроме TLR3. Его первичным эффектом является активация NFκB и митоген-активируемой протеинкиназы . Связывание лиганда и конформационное изменение, которое происходит в рецепторе, привлекают адаптерный белок MyD88, член семейства TIR . Затем MyD88 привлекает IRAK4 , IRAK1 и IRAK2 . Затем киназы IRAK фосфорилируют и активируют белок TRAF6 , который, в свою очередь, полиубиквитинирует белок TAK1, а также сам себя, облегчая связывание с IKK-β . При связывании TAK1 фосфорилирует IKK-β, который затем фосфорилирует IκB, вызывая его деградацию и позволяя NFκB диффундировать в ядро клетки и активировать транскрипцию и последующую индукцию воспалительных цитокинов. [50]
Оба TLR3 и TLR4 используют TRIF-зависимый путь, который запускается dsRNA и LPS соответственно. Для TLR3 dsRNA приводит к активации рецептора, привлекая адаптер TRIF . TRIF активирует киназы TBK1 и RIPK1 , что создает ответвление в сигнальном пути. Сигнальный комплекс TRIF/TBK1 фосфорилирует IRF3 , обеспечивая его транслокацию в ядро и продукцию интерферона типа I. Между тем, активация RIPK1 вызывает полиубиквитинирование и активацию транскрипции TAK1 и NFκB таким же образом, как и MyD88-зависимый путь. [50]
Сигнализация TLR в конечном итоге приводит к индукции или подавлению генов, которые организуют воспалительный ответ. В целом, тысячи генов активируются сигнализацией TLR, и в совокупности TLR представляют собой один из самых плейотропных , но при этом жестко регулируемых шлюзов для генной модуляции.
TLR4 — единственный TLR, который использует все четыре адаптера. Комплекс, состоящий из TLR4, MD2 и LPS, рекрутирует адаптеры, содержащие домен TIR TIRAP и MyD88, и таким образом инициирует активацию NFκB (ранняя фаза) и MAPK. Затем комплекс TLR4-MD2-LPS подвергается эндоцитозу и в эндосоме образует сигнальный комплекс с адаптерами TRAM и TRIF. Этот TRIF-зависимый путь снова приводит к активации IRF3 и продукции интерферонов типа I, но он также активирует активацию NFκB поздней фазы. Как поздняя, так и ранняя фаза активации NFκB необходимы для продукции воспалительных цитокинов. [50]
Имиквимод (основное применение которого в дерматологии ) является агонистом TLR7, а его преемник резиквимод является агонистом TLR7 и TLR8. [54] Недавно резиквимод был исследован в качестве средства для иммунотерапии рака, [55] действуя посредством стимуляции макрофагов, ассоциированных с опухолью.
Несколько лигандов TLR находятся на стадии клинической разработки или проходят испытания на животных моделях в качестве вакцинных адъювантов [56] , а первое клиническое применение на людях в рекомбинантной вакцине против опоясывающего лишая состоялось в 2017 году и содержало монофосфориллипидный компонент А.
Сообщалось об уровнях экспрессии РНК-мессенджера TLR7 у молочных животных при естественной вспышке ящура. [57]
Было показано, что TLR4 важен для долгосрочных побочных эффектов опиоидов . Его активация приводит к последующему высвобождению воспалительных модуляторов, включая TNF-α и IL-1β , и считается, что постоянное низкоуровневое высвобождение этих модуляторов со временем снижает эффективность лечения опиоидами и участвует в толерантности к опиоидам, [58] [59] гипералгезии и аллодинии . [60] [61] Активация TLR4, вызванная морфином, ослабляет подавление боли опиоидами и усиливает развитие толерантности к опиоидам и наркомании , злоупотребления наркотиками и других негативных побочных эффектов, таких как угнетение дыхания и гипералгезия. [62] Было показано, что препараты, блокирующие действие TNF-α или IL-1β, усиливают анальгезирующее действие опиоидов и снижают развитие толерантности и других побочных эффектов, [63] [64] и это также было продемонстрировано с препаратами, блокирующими сам TLR4.
«Неестественные» энантиомеры опиоидных препаратов, таких как (+)-морфин и (+)-налоксон, не имеют сродства к опиоидным рецепторам, но при этом производят ту же активность в TLR4, что и их «нормальные» энантиомеры. [65] [66] Таким образом, «неестественные» энантиомеры опиоидов, такие как (+)-налоксон, могут использоваться для блокирования активности TLR4 опиоидных анальгетиков, не имея никакого сродства к μ-опиоидным рецепторам [67] [66] [68]
Когда микробы были впервые признаны причиной инфекционных заболеваний, сразу стало ясно, что многоклеточные организмы должны быть способны распознавать их при инфицировании и, следовательно, способны распознавать молекулы, уникальные для микробов. Большое количество литературы, охватывающей большую часть прошлого столетия, свидетельствует о поиске ключевых молекул и их рецепторов. Более 100 лет назад Ричард Пфайффер , ученик Роберта Коха , ввел термин « эндотоксин » для описания вещества, вырабатываемого грамотрицательными бактериями , которое может вызывать лихорадку и шок у экспериментальных животных . В последующие десятилетия эндотоксин был химически охарактеризован и идентифицирован как липополисахарид (ЛПС), вырабатываемый большинством грамотрицательных бактерий. Этот липополисахарид является неотъемлемой частью грамотрицательной мембраны и высвобождается при разрушении бактерии. Было показано, что другие молекулы (бактериальные липопептиды , флагеллин и неметилированная ДНК ), в свою очередь, вызывают реакции хозяина, которые обычно являются защитными. Однако эти реакции могут быть пагубными, если они чрезмерно продолжительны или интенсивны. Логично, что должны быть рецепторы для таких молекул, способные предупреждать хозяина о наличии инфекции, но они оставались неуловимыми в течение многих лет. Toll-подобные рецепторы теперь считаются одними из ключевых молекул, которые предупреждают иммунную систему о наличии микробных инфекций.
Прототипический член семейства, рецептор toll ( P08953 ; Tl) у плодовой мушки Drosophila melanogaster , был открыт в 1985 году лауреатами Нобелевской премии 1995 года Кристианой Нюсляйн-Фольхард и Эриком Вишаусом и коллегами. Он был известен своей функцией развития в эмбриогенезе путем установления дорсально - вентральной оси. Он был назван в честь восклицания Кристианы Нюсляйн-Фольхард 1985 года « Das ist ja toll! » («Это удивительно!»), в отношении недоразвитой вентральной части личинки плодовой мушки. [4] Он был клонирован лабораторией Кэтрин Андерсон в 1988 году. [69] В 1996 году Жюль А. Хоффманн и его коллеги обнаружили, что толл играет важную роль в иммунитете мухи к грибковой инфекции , чего он достигал путем активации синтеза антимикробных пептидов. [19]
Первый описанный человеческий рецептор типа toll был описан Номурой и коллегами в 1994 году [70] , а в 1996 году Тагучи и коллеги сопоставили его с хромосомой. [71] Поскольку иммунная функция toll у дрозофилы тогда не была известна, предполагалось, что TIL (теперь известный как TLR1) может участвовать в развитии млекопитающих. Однако в 1991 году (до открытия TIL) было замечено, что молекула с четкой ролью в иммунной функции у млекопитающих, рецептор интерлейкина-1 (IL-1), также имела гомологию с toll дрозофилы; цитоплазматические части обеих молекул были похожи. [72]
В 1997 году Чарльз Джейнвэй и Руслан Меджитов показали, что толл-подобный рецептор, теперь известный как TLR4, может, при искусственном лигировании с использованием антител, вызывать активацию определенных генов, необходимых для инициирования адаптивного иммунного ответа . [7] Функция TLR 4 как рецептора, чувствительного к ЛПС, была открыта Брюсом А. Бейтлером и его коллегами. [73] Эти исследователи использовали позиционное клонирование , чтобы доказать, что у мышей, которые не могли реагировать на ЛПС, были мутации, которые отменили функцию TLR4. Это определило TLR4 как один из ключевых компонентов рецептора для ЛПС.
В свою очередь, другие гены TLR были удалены у мышей с помощью генного таргетирования, в основном в лаборатории Сидзуо Акиры и коллег. Теперь считается, что каждый TLR обнаруживает дискретный набор молекул — некоторые микробного происхождения, а некоторые продукты повреждения клеток — и сигнализирует о наличии инфекций. [74]
Растительные гомологи toll были обнаружены Памелой Рональд в 1995 году (рис XA21) [75] и Томасом Боллером в 2000 году ( Arabidopsis FLS2). [76]
В 2011 году Бойтлер и Хоффманн были удостоены Нобелевской премии по медицине и физиологии за свою работу. [77] Хоффманн и Акира получили Канадскую международную премию Гэрднера в 2011 году. [78]
В целом, TLR 1, 2, 4–6 и 10 экспрессируются на плазматической мембране, а TLR 3, 7–9 и 11–13 ограничены эндосомами.