Toll样受体4在溃疡性结肠炎患者中的作用

罗正英,沈 楠,罗正兴,田佳慧,王佳月,李松岩

(吉林医药学院,吉林 吉林 132013)

Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)是德国Lemaitre在研究果蝇胚胎早期发育特征时发现的一种跨膜蛋白受体。TLR是一类主要表达并作用于人类宿主细胞表面外膜层的蛋白,是人类免疫系统中具有识别宿主微生物能力的特异性免疫应答受体家族。TLR不仅是一组模式识别受体,同时也是一类高度保守的Ⅰ型跨组织膜蛋白。TLR含有自动识别损伤因子的相关分子模式,作为连接固有细胞免疫和可获得性细胞免疫之间的桥梁[1]。TLR作为细胞中一类非常关键的模式识别受体,在控制炎症、细胞信号链转导、免疫反应发生等过程调控中发挥独特的功能,与组织炎性反应的关系尤为密切[2]。

1 TLR4的结构

TLR4是哺乳动物中第一个被识别的TLR,可识别革兰阴性菌外膜的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)。TLR4由胞核外膜区层、胞质区层和跨膜区层等构成。在TLR4的细胞外膜区中存在着16～28个单位的富含亮氨酸重复序列,主要功能是直接识别病原体相关分子模式基因。在TLR4的跨膜区内包含一个Toll蛋白/白细胞介素-1受体基因(Toll/IL-1 receptor,TIR)的结构域,TIR基因与编码IL-1蛋白的受体基因具有较高的同源性,主要激活下游信号通路。

2 TLR4介导的信号通路

TLR4作为“门户”蛋白,调控机体免疫的炎症链式反应的启动,在跨膜组织传输信息的TLR家族基因组中一直以来有着相当重要的基础地位[3]。在人类的整个TLR家族表达系统中,TLR4是唯一能够直接激活依赖性的髓样分化因子88(myeloid differentiation factor88,MyD88)通路和非依赖性的MyD88通路。TLR4介导的信号通路的主要效应是诱导炎症反应,保护肠道黏膜免受入侵细菌的危害和促进黏膜完整性。

2.1 MyD88依赖型信号通路

在MyD88依赖型信号通路中,LPS为外源性配体,它被TLR4识别并结合,激活下游反应。对于内源性配体,也是类似的途径。配体不同,但都引起促炎反应,促炎反应的产物对溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)的发生有着关键的作用。以LPS为例,TLR4识别并诱导结合LPS,激活形成的TLR4与受体MyD2结合,受CD14调节形成受体复合物[4]。复合物与MyD88上的Toll结构相结合,可直接使MyD88中的死亡结构域活化,形成TLR-MyD活性复合体,接着通过磷酸化募集并激活白细胞介素-1受体相关激酶4(IL-1 receptor associated kinase 4,IRAK4)。IRAK4将IRAK1进一步磷酸化,使IRAK1在磷酸化步骤完成后从TLR-MyD的活性复合体脱离出来与肿瘤坏死因子受体相关因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)相结合。TRAF6作为E3泛素化的一个连接酶,与两个辅酶UBC13和UEV1A结合形成一个复合体,此复合体能够激活胞膜上的蛋白转化生长因子-β激活激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1,TAK1)[5]。TAK1通过选择性激活下游的促分裂原活化的蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)和抑制IκB激酶(IκB kinase,IKK)通路,使Ⅰ-kB被降解,并进一步使核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)被活化分解而被转移并释放至宿主细胞核基质腔内,导致肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α)、白介素1(interleukin 1,IL-1)等促炎性因子大量释放及氧自由基裂解产物的持续大量分泌,在宿主细胞体内还可持续激发多种炎症的链式化反应。炎症因子的释放将进一步间接刺激靶细胞活性氧含量的迅速增加,加速了宿主机体自身的生物氧化还原和免疫应激等反应,促进细胞炎症的级联扩大[6],最后可能引起UC。而激活细胞的MAPK通路则导致了AP-1的大量产生。AP-1蛋白经过磷酸化和活化处理之后,能够进入到细胞核中,介导多种细胞炎症因子基因转录、翻译,释放促炎细胞因子。

2.2 MyD88非依赖型信号通路

在MyD88非依赖型信号通路中,接头蛋白是TRIF蛋白,TRIF的接头分子TRAM,同样含有TIR结构域结构。TLR4识别LPS并结合配体,与TRIF和TRAM结合之后,形成复合体并输送至内涵体。TRIF的C区介导的信号分子蛋白物质与受体相互作用蛋白1(receptor-interacting protein 1,RIP1)相互作用。在非依赖信号通路过程中TRIF将信号传递到RIP1,RIP1接收信号激活胞膜的TAK1,TAK1激活下游的IKK。IKK可以磷酸化Ser32和Ser36位点,进而诱导激活NF-κB。大量研究表明,NF-kB可引起IL-6、IL-1β、TNF-α等因子及炎症效应放大相关的酶大量释放,最后造成并加重炎症反应[7]。此外,小鼠TLR4敲除模型研究表明,TLR4敲除会激活TRIF/IRF3信号通路,诱导炎症的发生[8]。

3 TLR4与UC

UC是指一种肠道非特异性反应的临床炎症性疾病,UC的发生部位主要是左下腹,以直肠和乙状结肠最为常见。UC以呕吐、左下腹疼痛、持续性腹泻、便血等为主要表现,具有肠道癌变的可能性,它也是直接导致急性消化系统疾病复发和诱发慢性腹泻的主要危险因素之一[9-10]。UC病人的免疫保护机制失常,使持续反复的急性炎症损伤并阻碍正常黏膜功能的组织再生,造成局部组织永久性损伤,并且最终可能会使这种疾病朝着癌症的方向转化和发展[11]。

正常生理条件下,TLR4在肠上皮细胞中低水平表达,主要是保护机体免受入侵细菌的侵害。研究表明,TLR4激活后会上调肌球蛋白轻链激酶诱导肠黏膜屏障通透性增强,促进肠道炎症的发生[12]。考虑到TLR4基因在活动期UC患者肠上皮中表达上调,推测TLR4可能参与了UC疾病的发展。一项研究表明,受刺激的肠胶质细胞可以通过TLR4作用释放一氧化氮,加重肠道炎症[13]。有研究表明,LPS(一种TLR4配体)刺激单核细胞和树突状细胞激发高水平的促炎细胞因子释放,这会加剧葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎[14]。研究发现[15],TLR4/MyD88/NF-kB信号通路与UC的发生密切相关。MyD88依赖途径通过诱导动物体内的多种抗肿瘤细胞炎性基因的异常表达,分泌出TNF-α、IL-6、IL-1β等细胞因子。MyD88非依赖途径可以引起IFN和其他免疫调节趋化因子的高水平表达。TLR4的信号传导对UC的发生有一定的促进作用,并且从某种程度来说它为UC的发生提供了条件。UC的发生同时也会引起TLR4表达的增强,将会导致免疫反应被过度激活。综上所述,TLR4在特定情况下可以促使UC的发生,而UC也可以加强TLR4的表达,最终引起体内多种促炎因子大量分泌。TLR4与UC进行双向反应,相互作用。

4 TLR4在UC治疗中的作用

非可控性炎症是导致UC反复急性发作,不断慢性进展加剧的主要危险原因之一,因此加强控制各种炎症毒性反应将是今后治疗UC患者的主要策略[16]。通过药物对TLR4表达的影响来治疗UC,主要基于调节炎症反应表达的程度。一方面,TLR4介导的两种信号通路即MyD88依赖和MyD88非依赖信号通路,它们的过度表达致使UC发生,因此下调TLR4信号通路的活化程度可治疗UC。有研究已经表明,TLR4的表达下调,可减轻小鼠体质量丢失,减轻肠黏膜损伤和炎症反应,抑制炎性细胞因子的释放[17]。另一方面,对于机体来说,在TLR4介导的分子信号转导通路过度表达时,会引起细胞内负反应调节机制。负性调节机制能够直接使TLR4信号活化能力相对减弱和转录量相应减少,同时也抑制非功能性信号分子如MyD88、IRAK-M等的表达[18],所以通过上调负性调控因子也可以治疗UC。

黄连素是一种活性生物碱,有着很久的使用历史。它作为用于医治肠道炎症的有效药物,同时还有一个较为显著的抑菌消炎作用,可以治疗很多感染性疾病。黄连素在一定程度上能够有效调节大鼠肠道上皮组织细胞TLR4/NF-κB信号通路表达蛋白的过度降解和诱导活化。它通过直接抑制上游TLR4基因异常去表达下调NF-κB蛋白信号通路活化程度,减少下游表达的TNF-α、IL-6、IL-1β等致炎因子的异常过量释放,控制机体炎症毒性免疫反应的作用,以此来达到治疗UC的效果[19]。

益生菌有保护肠道屏障、改善免疫调节等作用。TLR也参与了益生菌治疗肠炎中的过程。益生菌可改变抗原提呈细胞中TLR的表达水平来影响免疫细胞之间的信号交流进而调节免疫反应程度。也可以抑制TLR通路在一定程度治疗UC[20]。

综上所述,TLR4虽然会引起UC的发生,但是也可以反过来抑制UC。治疗UC,可以通过阻碍或者切断TLR4在发病过程中的信号传导,增强负性调控因子表达,为人类解决TLR4相关疾病提供新思路。