魏偉,章意亮,郭瀛軍,黃金鳳,孫樹漢
·綜述·
核酸識別Toll樣受體特性及在系統(tǒng)性紅斑狼瘡中的作用
魏偉,章意亮,郭瀛軍,黃金鳳,孫樹漢
系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)是一種由于免疫系統(tǒng)紊亂導致機體產(chǎn)生多種自身抗體的自身免疫病。SLE 發(fā)病緩慢,臨床表現(xiàn)多樣化,涉及多個系統(tǒng)和多種臟器損傷,造成細胞和體液免疫功能障礙,產(chǎn)生多種自身抗體。SLE 的常見臨床表現(xiàn)為發(fā)熱、皮疹、關節(jié)痛、漿膜炎及腎、心血管、肺、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等系統(tǒng)損傷,死亡率高。雖然目前 SLE 發(fā)病的確切機制尚不清楚,但對于其發(fā)病原因比較公認的是核酸識別 Toll 樣受體對于自身核酸復合物的識別而引發(fā)的針對自身的免疫反應。Toll樣受體是一類介導機體天然免疫并能作為橋梁連接機體天然免疫與獲得性免疫的重要受體。Toll 樣受體被配體激活后能夠產(chǎn)生多種炎癥細胞因子并釋放 I 型干擾素,從而介導機體抵御多種病原微生物的免疫反應。Toll 樣受體信號的異常激活將導致自身免疫疾病的發(fā)生。本綜述首先從細胞生物學與信號轉導的角度闡述 Toll 樣受體在機體天然免疫過程中的作用,之后將探討 Toll 樣受體信號激活在 SLE發(fā)病過程中的影響。
1.1 Toll 樣受體的組成與功能
Toll 樣受體屬于模式識別受體(pattern recognition receptors,PRR),它通過識別病原相關分子模式(pathogenassociated molecular patterns, PAMP),介導機體天然免疫反應。自 20 世紀 90 年代 Toll 樣受體發(fā)現(xiàn)以來,在人體內發(fā)現(xiàn)的具有生物學功能的 Toll 樣受體共有 10 種,而小鼠體內則有 12 種,其中 TLR1-TLR9 在兩物種間均保守存在。小鼠體內 TLR10 沒有生物學功能,而人的基因組則缺失了 TLR11、TLR12 與 TLR13。對于 Toll 樣受體基因缺失小鼠的研究發(fā)現(xiàn),每一種 Toll 樣受體都能識別不同的病原相關分子模式,從而在體內發(fā)揮不同的免疫學功能[1]。例如,TLR2 能夠與 TLR1 和 TLR6 形成復合物識別脂蛋白與脂肽;TLR3 能夠識別病毒雙鏈 RNA;TLR4 能夠識別脂多糖;TLR5 能夠識別細菌的鞭毛蛋白;TLR7 和 TLR8能夠識別單鏈 RNA;TLR9 能夠識別微生物的非甲基化DNA[2]。
1.2 核酸識別 Toll 樣受體
與 TLR2、TLR4 等細胞膜表面 Toll 樣受體不同,TLR3、TLR7、TLR8、TLR9 主要表達于細胞內體表面,識別各類核酸物質,如雙鏈 RNA、單鏈 RNA 及非甲基化修飾的 CpG DNA 等,介導機體抗病毒免疫反應。
最早發(fā)現(xiàn) TLR3 是因為其可以識別人工合成的雙鏈RNA 的類似物 poly I:C,介導機體產(chǎn)生 I 型干擾素[3]。雙鏈 RNA 既可以作為單鏈 RNA 病毒復制中間體,又可以作為雙鏈 RNA 病毒基因組存在于被感染細胞內。因此,TLR3 作為機體防御外界病毒入侵的重要受體能夠識別多種病毒,如呼吸道合胞體病毒、腦心肌炎病毒、West Nile 病毒等[4]。TLR3 特異性地表達于 cDC 細胞中,在漿細胞樣樹突細胞(pDC)細胞中卻不表達。TLR3 同時也表達于子宮、陰道、角膜及腸的上皮細胞中。值得注意的是,雖然子宮上皮細胞與角膜上皮細胞能夠表達多種 Toll 樣受體,但只有 TLR3 可以被其配體 poly I:C 激活[1]。對于 TLR3 晶體結構分析發(fā)現(xiàn)其胞外區(qū)呈馬蹄形結構。此結構可擴大TLR3 分子胞外區(qū)表面積,從而使其易于識別雙鏈 RNA。TLR3 分子識別其配體時首先發(fā)生同源二聚化作用,接著雙鏈 RNA 結合于胞外區(qū)分子的靠近 N’末端與跨膜區(qū)的兩個位點,從而實現(xiàn) TLR3 對其配體的識別[1-5]。雖然 TLR3能夠識別雙鏈 RNA 被認為是機體防御病毒入侵的重要受體,然而有報道指出 TLR3 并非起始機體抗病毒免疫反應所必需[6]。對于 TLR3 基因缺失鼠的研究發(fā)現(xiàn),TLR3 的缺失并不能引起小鼠對于 MCMV、VSV、LCMV 等病毒易感性的提高[7]。因此,TLR3 對于機體抗病毒免疫雖然重要,但卻不是機體起始抗病毒天然免疫的受體。
TLR7 定位于 X 性染色體上?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) TLR7 能夠識別咪唑喹啉衍生物與鳥嘌呤類似物,并且能夠識別單鏈RNA 病毒,介導機體的抗病毒免疫過程[8-9]。許多研究證明,TLR7 能夠在 HIV、A 型流感病毒、HCV、皰疹性口炎病毒感染引起的天然免疫過程中發(fā)揮重要作用[10-11]。而 TLR7被激活后能夠介導機體產(chǎn)生多種促炎因子與 I 型干擾素,干擾阻斷病毒的復制過程。由于 TLR7 表達于細胞內體的表面,其對于單鏈 RNA 病毒的識別依賴于 pDC 細胞對病原體的吞噬作用。研究發(fā)現(xiàn),當 pDC 細胞缺乏吞噬相關蛋白 Atg5 時,利用皰疹性口炎病毒感染細胞無法引起 IFN-α的產(chǎn)生[12]。也就是說,只有在 pDC 細胞能夠吞噬并將病毒或病菌的核酸遞交至內體表面時,TLR7 才能夠被其配體激活,從而介導機體抗病毒免疫過程。
與 TLR3、TLR7 不同,TLR9 在天然狀態(tài)下的特異性配體為細菌或病毒的非甲基化 CpG DNA 序列。這些序列在細菌與病毒等病原微生物體內廣泛存在,而在哺乳動物體內則較為少見[13]。人工合成的 CpG 寡聚核苷酸序列在 pDC 細胞內也能夠通過激活 TLR9 誘導 IFN-α 的產(chǎn)生[11]。在體內 TLR9 主要表達于 pDC 細胞,并能夠介導機體識別 DNA 病毒,如:鼠的巨細胞病毒、HSV-1 與HSV-2 等[14-16]。
2.1 TLR7 與 TLR9 激活信號通路
MyD88 是 Toll 樣受體信號通路中最早被發(fā)現(xiàn)的接頭蛋白,它能介導除 TLR3 外其他所有 Toll 樣受體的激活信號。MyD88 最初被認為在 I 型 IL-1 受體信號通路中起作用,而 Medzhitov 等于 1998 年證明其參與了 Toll 樣受體的激活過程[17-18]。TLR7 和 TLR9 能夠通過 MyD88 激活NF-κB 信號通路,最終誘導促炎癥細胞因子的產(chǎn)生與 I 型干擾素的釋放(圖1)。
圖1 TLR7、TLR9 信號激活通路
MyD88 包含 2 個結構域,一個為 TIR 結構域,另一個為死亡結構域(death domain,DD)。MyD88 可以通過 TIR結構域與 Toll 樣受體胞內區(qū)結合,通過 DD 結構域募集IL-1 受體相關激酶 IRAK4 等。IRAK4 能夠激活 TRAF6。TRAF6 是一種 E3 泛素連接酶,能夠誘導靶蛋白第 63 位的賴氨酸(63K)泛素化。K63-泛素肽鏈也可以與 NEMO 蛋白的泛素結合區(qū)結合,從而激活 NEMO 蛋白。該蛋白能夠調控 IKKα 與 IKKβ 組成復合體,而 IKK 復合體可以激活轉錄因子 NF-κB 的表達[13, 19-20]。
TLR7 與 TLR9 被激活后除了能夠誘導炎癥細胞因子的產(chǎn)生,還能夠產(chǎn)生 I 型干擾素,激活機體抗病毒免疫反應。在 pDC 細胞中被激活的 TRAF6 可以激活 TRAF3,進而激活 IRAK1 和 IKKα。被激活的 IRAK1 與 IKKα 能夠使 IRF7 磷酸化,從而使 IRF7 進入細胞核,啟動 I 型干擾素基因的表達。
2.2 TLR3 激活信號通路
與其他 Toll 樣受體不同,TLR3 被激活后能夠通過TRIF 通路激活 NF-κB 與 IRF3 誘導產(chǎn)生炎癥細胞因子與I 型干擾素(圖2)。TLR3 被其配體激活后能夠通過其胞內 TIR 區(qū)募集 TRIF 蛋白。TRIF 蛋白與下游的 TIAF6、TRADD、Pellino-1 及 RIP1 組成多信號復合體,共同激活TAK1。被激活的 TAK1 進而激活 NF-kB 通路與 MAPKs通路,誘導促炎癥細胞因子的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn) TRADD、Pellino-1 與 RIP1 缺失的細胞株均無法通過刺激 TLR3激活 NF-κB 通路,因此, TRIF 依賴的多信號復合體中的各種組成部分對于 TLR3 信號傳遞均必不可少[21-23]。
圖2 TLR3 信號激活通路
與 TLR7、TLR9 類似,TLR3 被激活后除了通過NF-κB 通路產(chǎn)生促炎癥細胞因子外,還能通過激活 IRF3產(chǎn)生 I 型干擾素。TRIF-IRF3 通路首先由 TRIF 募集TRAF3 蛋白,緊接著 TRAF3 蛋白通過非經(jīng)典途徑激活TBK1 與 IKKi。當 TBK1 與 IKKi 被激活后,能夠進一步激活 IRF3 從而誘導 I 型干擾素的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn),TRAF3 是模式識別受體誘導產(chǎn)生 I 型干擾素所必需的分子,TRAF3 的缺失將影響 TLR3、TLR7、TLR9 等一系列模式識別受體誘導產(chǎn)生 I 型干擾素[24-25]。
3.1 SLE 與 MyD88 信號通路
MRLlpr/lpr 小鼠作為一種能夠自發(fā)產(chǎn)生針對自身核酸免疫復合物抗體的動物模型被廣泛應用于 SLE 疾病相關研究中。Lau 等[26]在 MRLlpr/lpr 小鼠體內實驗發(fā)現(xiàn)當阻斷MyD88 蛋白合成時,針對染色質、類風濕因子與 Sm 等自身免疫復合物的抗體滴度明顯下降。而對于另一種 SLE 模型小鼠 FcγRIIB-/-的研究發(fā)現(xiàn),當 TLR9 與 MyD88 信號被阻斷時自身免疫 B 細胞將無法完成抗體類型轉變,從而改善了該小鼠的腎功能并提高了小鼠的存活率[27]。這些結果都提示了 MyD88 介導的 Toll 樣受體激活信號在 SLE發(fā)生發(fā)展過程中至關重要。
3.2 TLR7 在 SLE 發(fā)生發(fā)展過程中的作用
pDC 是體內主要抗原遞呈細胞,有研究發(fā)現(xiàn)該細胞被自身核酸免疫復合體激活后能引起 I 型干擾素過表達,并最終導致多種免疫細胞激活引發(fā)針對自身的免疫反應,這是目前公認的 SLE 發(fā)病機制[28]。TLR7 信號在激活 pDC產(chǎn)生 I 型干擾素的過程中至關重要。有研究證實,當利用SLE 患者血清刺激體外培養(yǎng)的 DC 細胞時能夠誘導分泌 I型干擾素,而加入 TLR7 的抑制劑后則能夠阻止 I 型干擾素的產(chǎn)生[29-30]。
除了能夠激活 DC 細胞外,TLR7 在其他自身免疫細胞產(chǎn)生針對機體的自身免疫反應中也必不可少。有研究證實TLR7 信號通路的激活能夠刺激自身免疫型 B 細胞的增殖,從而加重 SLE 患者的病情[31]。因此,TLR7 通路的異常激活在 SLE 發(fā)生與病程發(fā)展過程中均具有重要的促進作用。
3.3 TLR9 在 SLE 發(fā)生發(fā)展過程中的作用
與 TLR7 不同,對于 TLR9 在 SLE 發(fā)病過程中的作用存在較多爭議。Christensen 等[32]對于 TLR9 缺失的MRL-FaslprSLE 小鼠動物模型的研究發(fā)現(xiàn) TLR9 激活信號的缺失導致機體產(chǎn)生針對雙鏈 DNA 免疫復合物的抗體滴度明顯減少,但對于腎損傷與自身免疫反應卻影響不大。而針對另一種 TLR9 缺失 SLE 小鼠動物模型 MRL/MPlpr/lpr的研究則發(fā)現(xiàn) TLR9 的缺失導致自身免疫反應加重,血液中 pDC 與淋巴細胞活化程度增加,血清中 IgG 與 IFN-α的含量增高[33]。除此之外,有研究發(fā)現(xiàn) TLR9 信號的缺失將導致自身免疫 B 細胞無法進行抗體類型轉換以產(chǎn)生IgG2a 與 2b 亞型,而與之相對的是有研究報道稱在 TLR9缺失的 C57BL/6-Faslpr小鼠體內檢測到針對自身雙鏈 DNA抗體滴度升高、IgG2a 抗體亞型含量升高等現(xiàn)象[27-34]。因此,TLR9 在 SLE 發(fā)生發(fā)展中究竟是起促進作用還是抑制作用還有待進一步研究。
3.4 TLR3 在 SLE 發(fā)生發(fā)展過程中的作用
目前研究發(fā)現(xiàn),TLR3 被其配體 poly(I:C) RNA 激活后能夠通過刺激血管系膜細胞加重 MRLlpr/lpr小鼠狼瘡腎炎的程度[35]。上述過程并不增加針對自身雙鏈 DNA 抗體的滴度。在該小鼠內封堵 TLR3 激活信號后,發(fā)現(xiàn)對 SLE 病程發(fā)展與自身免疫反應無明顯影響[32]。因此,TLR3 在 SLE發(fā)生發(fā)展過程中僅起協(xié)同作用。
Toll 樣受體是一類天然免疫識別中的重要受體,該受體家族參與包括抗病毒反應過程在內的機體抵御多種病原微生物的免疫防御過程。而該受體信號的異常激活也將導致包括 SLE 在內多種自身免疫疾病的發(fā)生。針對人 SLE 疾病相關研究發(fā)現(xiàn) TLR7 與 TLR9 信號對于該病的發(fā)生發(fā)展至關重要。因此,闡明 Toll 樣受體在 SLE 引發(fā)自身免疫反應中的作用對于 SLE 的防治具有重要的臨床意義。
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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2011.06.013
國家自然科學基金面上項目(81071680)
200433 上海,第二軍醫(yī)大學醫(yī)學遺傳學教研室
孫樹漢,Email:shsun@vip.sina.com
2011-05-19