Toll样受体在抗感染免疫中的作用①

付志玲 郭 风 刘 禹 杨艳红 张 辉 赵 雪 李 维 马思慧 郑 鑫

(吉林农业大学动物科学技术学院，长春130118)

对病原微生物的识别是启动先天性免疫应答反应(如炎症反应)的一个重要因素，是由编码的模式识别受体(PRRs)所介导，识别病原微生物所共有的分子结构，这种结构被称为病原相关的分子模式(PAMPs)［1］。在 PAMPs中，PRRs启动一系列严格的信号程序来完成机体第一道防线杀灭感染性微生物的防御反应。此外，PRR信号还可以诱导树突细胞(DCs)的成熟，这是负责警报的机体的第二道防线，因此被称作适应性免疫。

Toll样受体(TLRsS)是第一类被确认的PRRs。它们具有最良好的特性和识别广泛的病原相关分子模式［2-5］。TLRs是Ⅰ型跨膜蛋白，在细胞表面和胞内相关囊泡中均有表达，它们是由一个胞外域，一个跨膜区和胞质Toll-IL-1受体域组成的，其中胞外域由富含亮氨酸重复序列组成，用来调节对病原相关分子模式的识别;胞质Toll-IL-1受体域用来激活下游区的信号通道。到目前为止，TLRs的10种功能已经在人上被确定，12种功能在小鼠中被发现。各TLR 识别不同的PAMPs，如，TLR1、TLR2和TLR6识别脂蛋白类，TLR3识别双链RNA，TLR4识别脂多糖，TLR5识别鞭毛蛋白，TLR7和 TLR8识别单链RNA，而TLR9则识别DNA［2］。在识别病原分子模型时，TLRs能够在TIR区域募集一套特殊的衔接分子(如，MyD88和TIF)，并且启动下游区的信号通道来促使炎性细胞因子、Ⅰ型IFN、化学因子和抗微生物肽的分泌［6］。这些反应能够引起中性粒细胞的募集和巨噬细胞的活化等，进而直接杀死感染的病原体。此外，TLR信号的活化可以促使DCs细胞的成熟，有助于诱导适应性免疫反应的发生。

完整的微生物通常是由很多PAMPs组成的，这些PAMPs可以激活多个PRRs。然而，不同的PRRs也可能识别同一个PAMP。因此，TLRs既可以启动特异性病原免疫应答反应，又能够启动细胞特异性免疫应答反应来抵抗病原微生物的感染。本文描述了TLRs在诱导先天性免疫应答反应中对细菌、病毒、和真菌等不同病原体的作用。

1 TLRs的细胞定位

TLR1、TLR2、TLR4、TLR5 和 TLR6 集中在细胞的表面，广泛识别微生物的膜成分;而TLR3、TLR7、TLR8和TLR9则在胞内的囊泡中表达，识别大量的核酸［7］。近来的研究表明，TLR11也在细胞内表达，并且与TLR5在细胞表面的表达有一定的关系［8］。尽管TLR3的同源PAMP没有被确定，但是，它也在细胞内表达［7］。

病毒、其他病原和被感染的细胞被吸收后，其核酸将会被传达到细胞内的小室中，而TLRs中细胞内小室的定位正好能够激活其对核酸的识别作用。而细胞的核酸一旦出现在细胞核外环境时，就会快速地被核酸酶所分解，不能够进入到它们的细胞囊泡中。因此，细胞内的定位对于避免与自身核酸发生反应而引起的自身免疫疾病有很重要的作用。TLR3、TLR7、TLR8和TLR9都被隔离在内质网中，通过高尔基体转移至内颗粒中，在内颗粒中接触其同源PAMPs并对这些PAMPs产生反应。

TLR的运转还受到内质网中其他蛋白的控制，如 PRAT4A 和 gp96。PRAT4A 控制 TLR1、TLR2、TLR4、TLR7和TLR9从内质网中的转出并转移到质膜和内颗粒中［9］。但是，它不影响TLR3的转运，这说明TLR3的转运调控不同于TLR7和TLR9。Gp96是固定在内质网上的热激蛋白90家族的一员，作为大多数TLRs的分子伴侣，包括细胞表面的TLR1、TLR2、TLR4和 TLR5以及细胞内的 TLR7和 TLR9［9］。

2TLRs对细菌PAMPs的识别

细菌的多数PAMPs都是被TLRs检测到的。细菌细胞壁的成分被细胞表面的TLRs所广泛识别，而核酸则被细胞内TLRs识别。革兰氏阴性菌的脂多糖被TLR4识别，TLR2能够识别革兰氏阳性和阴性菌的多种 PAMPs、脂蛋白类和肽聚糖［2］。TLR2可以和TLR1、TLR6或其他的细胞表面分子形成异二聚体来识别PAMP的中间结构;TLR2-TLR1异二聚体识别革兰氏阴性菌的三酰基脂肽，而TLR2-TLR6异二聚体识别革兰氏阳性菌的二酰基脂肽。细菌鞭毛的鞭毛蛋白成分则被 TLR5所识别。TLR11在肾脏和膀胱得到高表达，尽管还没有发现同源的PAMP，但是，它与肾盂肾炎性细菌成分的识别有关系。

细菌基因组 DNA是被 TLR9所识别的［2］。TLR9识别未甲基化的2’-脱氧核糖(胞嘧啶-磷酸鸟嘌呤)(CpG)DNA，这种DNA经常存在于细菌和病毒中，很少存在于哺乳动物中，而且，有研究表明，TLR9能够识别DNA的糖-磷酸盐主链［10］。如果脊椎动物的DNA通过转染试剂进入到细胞内的话，TLR9也能够识别。因此，对于TLR9的识别来说，重要的是DNA的位置，而不是DNA的特异序列、突变或者物种来源。此外，TLR9和CpG-DNA之间的相互作用是由宿主蛋白促进的，如由巨噬细胞和树突状细胞释放到细胞外的HMGB蛋白和颗粒［11，12］。研究显示，病毒的RNA也是具有免疫刺激性的，TLR7就是识别溶酶体内 B组链球菌RNA的受体［13］。

3 TLRs在针对细菌的先天性免疫应答中的作用

已有实验通过缺乏TLRs的鼠模型进行研究TLRs在体内细菌感染中的作用。鼠伤寒沙门氏菌、革兰氏阴性菌可以在巨噬细胞内进行复制，它们至少有四种PAMPs可以被TLRs所识别。脂蛋白(被TLR2识别)、脂多糖(被TLR4识别)、鞭毛蛋白(被TLR5 识别)和 CpG-DNA(被 TLR9 识别)［14］。缺乏TLR4的鼠比对照鼠更易感沙门氏杆菌，但缺乏TLR2却对鼠的存活率没有影响［15］，这表明在没有TLR4的情况下，TLR2介导的免疫应答反应仍然能够发挥作用。然而，当TLR2和TLR4双重缺乏的鼠感染低浓度菌后仍有存活，其感染的菌可能来自于被感染的野生鼠。

在腹膜感染沙门氏杆菌、鼻内感染绿脓杆菌和尿道感染大肠杆菌后，TLR5也能起到保护机体的作用［16，17］。但是，当经口感染沙门氏杆菌时，TLR5 反而会对机体产生毒害作用。在TLR5缺乏的鼠中，随着细菌从肠道向肠系膜淋巴结的减少，鼠的存活率也开始升高［18］。因此，随着细菌浓度和感染途径的不同，TLR5可能是对机体有益的，也可能是有害的。近来研究表明，TLR2-TLR4双基因敲除的鼠对口腔感染的沙门氏杆菌显示了很高的易感性，而TLR2-TLR4-TLR9三基因敲除的鼠却显示了很低的易感性，而且三基因敲除的鼠在细胞因子诱导的表型上却比双基因敲除的鼠更严重［19］。当三种TLRs都缺乏时，细菌不能够正向调节沙门氏杆菌的基因，这些基因所编码的蛋白是菌体在包含沙门氏菌的空泡中存活所必需的，因此细菌不能够在巨噬细胞中进行复制。因此，沙门氏菌可能是利用TLRs作为支持他们致病基因表达的信号。

4 TLRs对病毒核酸的识别

病毒核酸可以作为PAMPs而被多种TLRs识别。TLR3、TLR7、TLR8和TLR9都与病毒核酸的识别相关，病毒核酸中的双链RNA(dsRNA)被TLR3识别，单链 RNA(ssRNA)被 TLR7和 TLR8识别，DNA则被TLR9所识别［7］。识别核酸标志的TLRs能够有效地促进Ⅰ型IFN和其他能够被所有的TLRs诱导的炎性因子的产生。

最初发现，TLR3能够识别dsRNA聚肌苷酸胞苷酸［poly(I:C)］的类似化合物。后又有研究发现，TLR3还能够识别来自dsRNA病毒、ssRNA病毒在复制期间产生的病毒基因组 RNA［2，7］。TLR7和人类的TLR8间接地识别ssRNA病毒的ssRNA和抗病毒化合物的咪唑-喹啉成分［2，7］。TLR7和TLR9都能够通过pDCs进行高表达［2，7，20，21］。而且，pDCs能够识别细胞质中正在复制的病毒，如VSV。细胞溶质的病毒RNA通过自吞的方式进入到溶酶体中，这是与细胞器和病原的溶酶体分解有关的过程，从而导致 TLR7间接地识别和其信号的活化［22］。TLR8在大多数组织中都有表达，而在单核细胞中的表达量最大。TLR9识别DNA病毒的富含CpG-DNA序列的病毒DNA。TLR9主要与HSV-1、HSV-2 和 MCMV 的识别相关［2，7，20，21］。

5 TLR3在控制病毒感染中的作用

尽管TLR3能够触发Ⅰ型IFN和其他炎性因子的产生，但TLR3在体内抗病毒感染中的必要性仍存在争议。TLR3缺乏小鼠比对照小鼠更易感MCMV，很可能是Ⅰ型 IFN、IL-12p40及 IFN-γ诱导产物减少和NK及NKT细胞活性降低的原因［23］。TLR3介导的IFN-γ是抵抗柯萨奇病毒感染所必需的，而不是Ⅰ型IFN［24］。并且，TLR3缺乏鼠对恶性的WNV更易感，进入CNS的早期病毒和周边组织中病毒效价都有所升高［25］。这些发现表明，TLR3介导的RNA识别促进了保护性免疫。然而，有研究显示，TLR3促进发病而不是促进保护。缺乏TLR3的小鼠感染WNV后显示其存活率增加，外周组织中的炎性细胞因子减少，由于降低了血脑屏障的通透性，从而抑制了病毒进入到脑中［26］。感染IAV的TLR3缺乏小鼠实验也显示了存活率升高，但在肺脏中却有较高的病毒存留［27］。存活率的升高可能是由于IAV诱导的过剩细胞因子的废除，这些细胞因子对机体是有害的。而且，有报道说在抗病毒反应中TLR3不是必需的，因为TLR3缺乏并不影响存活率或CD4+T和CD8+T细胞对MCMV、呼肠孤病毒、脑炎病毒和VSV感染的反应［28］。

6 TLRs对真菌PAMPs的识别作用

在免疫功能低下的患者中，入侵性念珠菌的感染是很致命。先天性免疫通过DCs识别念珠菌感染能够诱导大批的炎性因子产生和上调共刺激分子，这有助于Th1、Th2、Th17和Treg细胞中未致敏T细胞的分化。在白色念珠菌感染的小鼠模型中，Th1和Th17细胞的应答反应是抗感染的关键，而Th2和Treg细胞的应答反应则抑制先天性免疫反应，这对机体是有害的。念珠菌 spp含有多个PAMPs，如，β-葡聚糖、壳多糖、甘露聚糖、蛋白类以及核酸，这些 PAMPs只是被 5种 TLRs(TLR2、TLR4、TLR6、TLR7和 TLR9)和CLRs以及NLRs所识别［29，30］。TLR2 缺乏小鼠产生低水平的 TNF-α 和炎性趋化因子，而且比对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时其抗体的产生量比对照鼠要低［31］。TLR6-TLR2异二聚体识别酵母多糖，TLR6缺乏能够一定程度的影响白色念珠菌感染后细胞因子的产物。但是，TLR6缺乏小鼠并没有显示出易感性的升高［29］。

TLR4识别由酵母菌和白色念珠菌表达的甘露聚糖，而致使如 TNF-α 等细胞因子的产生［29］。TLR4在机体抵抗念珠菌感染中的作用很难解释。研究显示，TLR4缺乏的C3H/HeJ小鼠比对照鼠更易感白色念珠菌，这应该与巨噬细胞的炎性趋化因子产物的减少和中性白细胞聚集受损相关。而且，TLR4缺乏小鼠对酵母念珠菌的再次感染依然还比较易感。相反，其他的研究显示，TLR4缺乏不影响对酵母念珠菌的易感性，而且，当感染念珠菌后，TLR4缺乏鼠的存活时间要比对照鼠长［29］。细胞表面的TLRs外，胞内TLRs(如TLR7和TLR9)也参与对真菌核酸的识别。真菌DNA能够通过TLR9刺激DCs产生炎性细胞因子［30］。

7 展望

在过去的二十年间，对认知免疫系统如何监测病原微生物并做出应答反应进行了很多的研究，TLRs的特异性配体下的机制、信号通路和细胞转运等都已经被广泛地描述。然而，病原微生物包括很多PAMPs，这些PAMPs既能活化TLRs，也能活化其他的PRRs，现在已经清楚，在诱导有效地先天性免疫应答反应中，TLRs和其他PRRs的相互作用是必需的。但是，由于免疫系统比较复杂，所以，我们对于识别病原微生物的先天性免疫和不同PRRs间的相互作用知道的相对较少，而且，对于先天性免疫系统怎样控制和诱导适应性免疫的机制也所知不多。因此，需要对每一个PRR缺乏的模型和不同PRRs间相互联合的模型进行研究和综合分析，以至于让我们能够完全理解这个复杂的程序。

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