Журнал «Здоровье ребенка» 5 (40) 2012
Вернуться к номеру
Роль Toll-подобных рецепторов в рекогниции патоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных патогенных агентов и развитии воспаления. Часть 1. Семейство TLR
Авторы: Абатуров А.Е. - ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины», Волосовец А.П. - Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, Юлиш Е.И. - Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
Рубрики: Педиатрия/Неонатология
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
В обзоре представлена краткая характеристика молекулярного строения, клеточно-специфичной экспрессии Toll-подобных рецепторов человека.
В огляді надана коротка характеристика молекулярної будови, клітинно-специфічнї експресії Toll-подібних рецепторів людини.
The review provides a brief description of the molecular structure, cell-specific expression of Toll-like receptors of human.
воспаление, инфекционный процесс, Toll-подобные рецепторы.
запалення, інфекційний процес, Toll-подібні рецептори.
inflammation, infection process, Toll-like receptors.
Введение
Toll-подобные рецепторы (TLR) относятся к большому суперсемейству трансмембранных сигнальных образ-распознающих рецепторов (PRR) I типа — рецепторов IL-1R/TLR, эволюционно неизменных от червя Caenorhabditis elegans до млекопитающих. В настоящее время идентифицировано 10 типов TLR у людей и 13 типов у мышей [34, 40]. Согласно современным представлениям, TLR являются центральным элементом многоуровневой системы распознавания патоген-ассоциированных молекулярных структур (РАМР), возбуждение которых при инфицировании организма приводит к активации нескольких групп генов, участвующих в регуляции воспалительного процесса, врожденных механизмов защиты от инфекционных агентов, в частности ответственных за синтез:
1) пептидов, обладающих активностью против инфекционных агентов;
2) медиаторов, участвующих в процессе воспаления (цитокинов, хемокинов, адгезинов, острофазовых белков, активных кислород- и азотсодержащих метаболитов);
3) антигенов системы HLA, костимулирующих молекул, которые индуцируют возбуждение T-клеток [1, 4, 8, 28, 31].
Краткая характеристика Toll-подобных рецепторов
Филогенетические исследования показали, что семейство TLR людей организовано 5 субсемействами: TLR2 (TLR1, TLR2, TLR6 и TLR10), TLR3, TLR4, TLR5, TLR7 (TLR7, TLR8 и TLR9). Субсемейство TLR2 (TLR1, TLR2, TLR6 и TLR10) участвует в распознавании липопептидов; TLR3 — в рекогниции двуцепочечных РНК; TLR4 — во взаимодействии с LPS; TLR5 — в распознавании флагеллина, TLR7 (TLR7, TLR8 и TLR9) — в рекогниции внутриклеточно расположенных нуклеиновых кислот (рис. 1) [7, 32].
/117/117.jpg)
Молекулярная структура протеинов семейства TLR
Архитектура молекул мембранных интегральных гликопротеинов TLR характеризуется наличием экстра- и интрацеллюлярного доменов (рис. 2).
/118/118.jpg)
Экстрацеллюлярный вариабельный N-терминальный домен включает повторяющиеся олигопептидные фрагменты с высоким содержанием тандемных повторов лейциновых аминокислотных остатков (LRR), которые являются структурно-молекулярной основой, определяющей его способность взаимодействовать с лигандами. Трехмерная структура эктодомена напоминает соленоид подковообразной формы (рис. 3), составленный из 19–25 LRR мотивов, каждый из которых содержит 24–29 аминокислотных остатков [23].
Расположенный с внутренней стороны клеточной мембраны цитоплазматический С-терминальный домен содержит структурно высококонсервативную последовательность, состоящую примерно из 200 аминокислотных остатков, гомологичную внутриклеточному домену рецептора IL-1F2 (IL-1b), в связи с чем она получила название «Тоll-интерлейкин-1 рецепторная (TIR) область». Цитоплазматический домен TLR участвует в белково-белковых взаимодействиях с компонентами внутриклеточных сигнальных путей (рис. 4) [5, 21].
/118/118_2.jpg)
Локализация и распределение TLR
В зависимости от места расположения в пространственном континууме клетки семейство TLR условно разделены на две подгруппы, объединяющие TLR, которые функционально ассоциированы с цитоплазматической мембраной клетки (TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, TLR10), и TLR, которые локализуются и проявляют свою активность на мембранах интрацеллюлярных везикул, таких как эндосомы, лизосомы, эндоплазматический ретикулум (TLR3, TLR7, TLR8, TLR9) [5, 14, 41]. Физически некоторые TLR могут присутствовать на различных мембранных структурах клетки. Например, в неактивных моноцитах TLR2 располагается на цитоплазматической мембране, мембранах ранних эндосом, поздних эндосом (эндолизосом), на rab11+ компартментах, не определяясь только на мембране эндоплазматического ретикулума, в то время как TLR4 локализуется на цитоплазматической мембране и на мембране аппарата Гольджи [25, 35]. Различные мембраноассоциированные TLR локализуются в определенных регионах цитоплазматической мембраны эпителиальных клеток: TLR1, TLR2, TLR4, TLR6 сосредоточены на апикальной, а TLR5 дислоцирован на ее базолатеральной поверхности [11, 25].
Рецепторы TLR экспрессируются иммунными и неиммунными клетками, в том числе эпителиоцитами кожи, слизистых оболочек респираторного, кишечного и мочевыводящего трактов, эндотелиоцитами, мышечными клетками, кардиомиоцитами, фибробластами и другими клетками (табл. 1) [6, 10, 15, 18, 20, 26, 27, 40, 37]. Наиболее выраженная активность экспрессии TLR характерна для дендритных клеток (DC), макрофагов и В-лимфоцитов [21].
/119/119.jpg)
Эпителиоциты респираторного тракта экспрессируют практически все известные TLR (наиболее интенсивно — TLR2, TLR3, TLR5 и TLR6), энтероциты не экспрессируют только TLR6, TLR8, TLR10, колоноциты экспрессируют все TLR, кроме TLR10 [3, 16]; эпителиоциты слизистой оболочки влагалища, матки — TLR1, TLR2, TLR3, TLR5 и TLR6 [30]; эпителиоциты яичника — TLR2, TLR3, TLR4 и TLR5 [36]; нейтрофилы — все TLR, кроме TLR3 [17]; моноциты и макрофаги экспрессируют все TLR, кроме TLR8; DC — все TLR; натуральные киллеры (NK-клетки) — TLR2, TLR3, TLR4, TLR5; базофилы — TLR1, TLR2, TLR3, TLR4, TLR5, TLR6, TLR9; В-лимфоциты не экспрессируют TLR3, TLR8 [2, 12, 13, 22, 23, 30, 42]. Т-лимфоциты экспрессируют практически весь спектр TLR, кроме TLR6 и TLR8, но наиболее активно представляют TLR1, TLR2, TLR5, TLR9 и TLR10. Т-лимфоциты CD4+, CD25+ экспрессируют TLR4, TLR6, TLR7, TLR8. Для Т-лимфоцитов CD4+ характерен высокий уровень экспрессии TLR1 и TLR9, а для Т-лимфоцитов CD8+ — TLR3, TLR4. При возникновении инфекционно-воспалительного заболевания происходит изменение уровня экспрессии TLR на Т-лимфоцитах. В частности, локализованные в миндалинах Т-лимфоциты CD4+ во время острого тонзиллита реагируют снижением экспрессии TLR9, а Т-лимфоциты CD8+— усилением экспрессии TLR2, TLR3 и TLR5 [23, 24, 35]. Достоверно установлено, что тучные клетки экспрессируют TLR2, TLR4, TLR1 и TLR6. Однако, согласно данным некоторых авторов, тучные клетки могут экспрессировать TLR5, TLR3 и TLR9. В настоящее время остается неопределенной возможность экспрессии тучными клетками TLR7, TLR9 и TLR10 [9].
David Chiron и соавт. [39] считают, что характерной особенностью экспрессии TLR общей популяцией B-лимфоцитов человека является высокий уровень экспрессии TLR1, TLR6, TLR7, TLR9, TLR10 и низкий уровень экспрессии TLR2, TLR4. Более детальные исследования человеческих субпопуляций B-клеток показали, что наивные B-клетки и B-лимфоцитарные клетки памяти периферической крови отличаются уровнем экспрессии TLR. Наивные В-клетки экспрессируют на низком уровне TLR1, TLR2, TLR5, TLR6, TLR7, TLR9, TLR10, в то время как В-клетки памяти активно экспрессируют TLR1, TLR5, TLR6, TLR7, TLR9, TLR10, и только экспрессия TLR2 находится на предельно низком уровне.
Эндосомальные TLR экспрессируются преимущественно DC: TLR3, TLR8 — миелоидными, TLR7, TLR9 — плазмацитоидными DC. В отличие от скоординированной экспрессии TLR7, TLR9 в плазмацитоидных DC, в наивных B-клетках экспрессируются TLR9 и не экспрессируются TLR7. Эндосомальные и неэндосомальные TLR могут экспрессироваться одновременно в одной клетке, а совместная экспрессия TLR7, TLR9 с TLR3 является достаточно редким явлением [21, 41].
По данным исследования Masuhiro Nishimura и Shinsaku Naito [27], различные ткани человеческого организма отличаются уровнем экспрессии TLR (табл. 2). Так, максимальный уровень экспрессии TLR1 наблюдается в тканях легких, почек и селезенки; TLR2 — в тканях легких, селезенки, сердца, мозга и скелетных мышц; максимальный уровень экспрессии TLR3 характерен для плаценты и легких; TLR4 — для селезенки; экспрессия TLR5 и TLR3 примерно одинакова во всех тканях; максимальная экспрессия TLR7 характерна для ткани легкого, плаценты, спинного мозга и селезенки; TLR8 — для тканей легкого и селезенки; TLR9 — для тканей скелетных мышц и селезенки; TLR10 — для ткани лимфатических узлов, тимуса и селезенки.
/120/120.jpg)
Для TLR характерна очень низкая плотность экспрессии по отношению к другим мембраносвязанным белкам. Например, на поверхности мембраны моноцита находится от одной сотни до двух тысяч молекул TLR (в среднем 1300), а молекул адгезии CD44 — ~300 000, CD14 — ~115 000. Характерной онтогенетической особенностью экспрессии TLR является постепенное увеличение плотности рецепторов на поверхности мембран клетки в течение интра- и постнатального развития индивидуума [29]. Однако до настоящего времени не существует данных, которые характеризовали бы возрастные изменения количественного представительства рецепторов различных типов TLR. Уровень экспрессии TLR не является постоянной величиной, активность экспрессии быстро увеличивается в ответ на воздействие РАМР инфекционных агентов и уменьшается в условиях отсутствия взаимодействия с лигандами [5].
1. Абатуров А.Е. Молекулярные механизмы неспецифической защиты респираторного тракта: распознавание патоген-ассоциированных молекулярных структур // Здоровье ребенка. — 2006. — № 2. — С. 87-92.
2. Abreu M.T., Arditi M. Innate immunity and toll-like receptors: clinical implication of basic science research // J. Pediatr. — 2004. — Vol. 144, № 4. — P. 421-429.
3. Abreu M.T., Fukata M., Arditi M. TLR signaling in the gut in health and disease // J. Immunol. — 2005. — Vol. 174, № 8. — P. 4453-4460.
4. Akira S. Pathogen recognition by innate immunity and its signaling // Proc. Jpn Acad. Ser. B. Phys. Biol. Sci. — 2009. — Vol. 85, № 4. — P. 143-156.
5. Akira S., Uematsu S., Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity // Cell. — 2006. — Vol. 124, № 4. — P. 783-801.
6. Basu S., Fenton M.J. Toll-like receptors: function and roles in lung disease // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2004. — Vol. 286, № 5. — P. L887-L892.
7. Beutler B. TLR4 as the mammalian endotoxin sensor // Curr. Top. Microbiol. Immunol. — 2002. — Vol. 270. — P. 109-120.
8. Blasius A.L., Beutler B. Intracellular Toll-like Receptors // Immunity. — 2010. — Vol. 32, № 3. — P. 305-315.
9. Brzezińska-Błaszczyk E., Wierzbicki M. Receptory Toll-podobne (TLR) komorektucznych) // Postepy Hig. Med. Dosw (online). — 2010. — Т. 20, № 64. — S. 11-21.
10. Chao W. Toll-like receptor signaling: a critical modulator of cell survival and ischemic injury in the heart // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. — 2009. — Vol. 296, № 1. — P. H1-H12.
11. Cutting edge: bacterial flagellin activates basolaterally expressed TLR5 to induce epithelial proinflammatory gene expression / A.T. Gewirtz, T.A. Navas, S. Lyons, P.J. Godowski, J.L. Madara // J. Immunol. — 2001. — Vol. 167, № 4. — P. 1882-1885.
12. Differential expression and regulation of toll-like receptors (TLR) in human leukocytes: selective expression of TLR3 in dendritic cells / M. Muzio, D. Bosisio, N. Polentarutti, G. D’amico, A. Stoppacciaro, R. Mancinelli, C. van’t Veer, G. Penton-Rol, L.P. Ruco, P. Allavena, A. Mantovani // J. Immunol. — 2000. — Vol. 164, № 11. — P. 5998-6004.
13. Differential expression of Toll-like receptors on human alveolar macrophages and autologous peripheral monocytes / E. Juarez, C. Nuńez, E. Sada, J.J. Ellner, S.K. Schwander, M. Torres // Respir. Res. — 2010. — Vol. 11. — P. 2.
14. Dunne A., O’Neill L.A. Adaptor usage and Toll-like receptor signaling specificity // FEBS Lett. — 2005. — Vol. 579, № 15. — P. 3330-3335.
15. Frost R.A., Lang C.H. Regulation of muscle growth by pathogen-associated molecules // J. Anim. Sci. — 2008. — Vol. 86, № 14 (suppl.). — P. E84-E93.
16. Gribar S.C., Anand R.J., Sodhi C.P, Hackam D.J. The role of epithelial Toll-like receptor signaling in the pathogenesis of intestinal inflammation // J. Leukoc. Biol. — 2008. — Vol. 83, № 3. — P. 493-498.
17. Hayashi F., Means T.K., Luster A.D. Toll-like receptors stimulate human neutrophil function // Blood. — 2003. — Vol. 102, № 7. — P. 2660-2669.
18. Human skin endothelial cells can express all 10 TLR genes and respond to respective ligands / N. Fitzner, S. Clauberg, F. Essmann, J. Liebmann, V. Kolb-Bachofen // Clin. Vaccine Immunol. — 2008. — Vol. 15, № 1. — P. 138-146.
19. Inflammasomes are differentially expressed in cardiovascular and other tissues / Y. Yin, Y. Yan, X. Jiang, J. Mai, N.C. Chen, H. Wang, X.F. Yang // Int. J. Immunopathol. Pharmacol. — 2009. — Vol. 22, № 2. — P. 311-322.
20. Ingerslev H.C., Ossum C.G., Lindenstrém T., Nielsen M.E. Fibroblasts express immune relevant genes and are important sentinel cells during tissue damage in rainbow trout (Oncorhynchusmykiss) // PLoS One. — 2010. — Vol. 5, № 2. — P. e9304.
21. Iwasaki A., Medzhitov R. Toll-like receptor control of the adaptive immune responses // Nat. Immunol. — 2004. — Vol. 5, № 10. — P. 987-995.
22. Loiarro M., Ruggiero V., Sette C. Targeting TLR/IL-1R signalling in human diseases // Mediators Inflamm. — 2010. — Vol. 2010. — Article ID 674363, 12 p.
23. Majewska M., Szczepanik M. Rola receptorуw toll-podobnych (TLR) w odpornościwrodzonej i nabytejorazichfunkcja w regulacjiodpowiedziimmunologicznej // Postepy Hig. Med. Dosw. — 2006. — T. 60. — S. 52-63.
24. Mansson A., Adner M., Cardell L.O. Toll-like receptors in cellular subsets of human tonsil T cells: altered expression during recurrent tonsillitis // Respir. Res. — 2006. — Vol. 27, № 7. — P. 36.
25. McGettrick A.F., O’Neill L.A. Localisation and trafficking of Toll-like receptors: an important mode of regulation // Curr. Opin. Immunol. — 2010. — Vol. 22, № 1. — P. 20-27.
26. Miller L.S. Toll-like receptors in skin // Adv. Dermatol. — 2008. — Vol. 24. — P. 71-87.
27. Nishimura M., Naito S. Tissue-specific mRNA expression profiles of human toll-like receptors and related genes // Biol. Pharm. Bull. — 2005. — Vol. 28, № 5. — P. 886-892.
28. Olive C. Pattern recognition receptors: sentinels in innate immunity and targets of new vaccine adjuvants // Expert. Rev. Vaccines. — 2012. — Vol. 11, № 2. — P. 237-256.
29. Regulation of Toll-like receptors in human monocytes and dendritic cells / A. Visintin, A. Mazzoni, J.H. Spitzer, D.H. Wyllie, S.K. Dower, D.M. Segal // J. Immunol. — 2001. — Vol. 166. — P. 249-255.
30. Sandor F., Buc M. Toll-like Receptors. I. Structure, Function and Their Ligands // Folia Biologica (Praha). — 2005. — Vol. 51, № 5. — P. 148-156.
31. Sensors of the innate immune system: their mode of action / R. Baccala, R. Gonzalez-Quintial, B.R. Lawson, M.E. Stern, D.H. Kono, B. Beutler, A.N. Theofilopoulos // Nat. Rev. Rheumatol. — 2009. — Vol. 5, № 8. — P. 448-456.
32. The evolution of vertebrate Toll-like receptors / J.C. Roach, G. Glusman, L. Rowen, A. Kaur, M.K. Purcell, K.D. Smith, L.E. Hood, A. Aderem // Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. — 2005. — Vol. 102, № 27. — P. 9577-9582.
33. The molecular structure of the Toll-like receptor 3 ligand-binding domain / J.K. Bell, I. Botos, P.R. Hall, J. Askins, J. Shiloach, D.M. Segal, D.R. Davies // Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. — 2005. — Vol. 102, № 31. — P. 10976-10980.
34. The role of PAMPs and DAMPs in the pathogenesis of acute and recurrent anterior uveitis / D. Wakefield, P. Gray, J. Chang, N. Di Girolamo, P. McCluskey // Br. J. Ophthalmol. — 2010. — Vol. 94, № 3. — P. 271-274.
35. Toll-like récepteurs / M. Essakalli, O. Atouf, N. Bennani, N. Benseffaj, S. Ouadghiri, C. Brick // Pathol. Biol. (Paris). — 2009. — Vol. 57, № 5. — P. 430-438.
36. Toll-like receptor expression in normal ovary and ovarian tumors / M. Zhou, M.M. McFarland-Mancini, H.M. Funk, N. Husseinzadeh, T. Mounajjed, A.F. Drew // Cancer Immunol. Immunother. — 2009. — Vol. 58, № 9. — P. 1375-1385.
37. Toll-like receptor responses in IRAK-4-deficient neutrophils / R. van Bruggen, A. Drewniak, A.T. Tool, M. Jansen, M. van Houdt, J. Geissler, T.K. van den Berg, H. Chapel, T.W. Kuijpers // J. Innate Immun. — 2010. — Vol. 2, № 3. — P. 280-287.
38. Toll-like receptor signal transduction / J. Krishnan, K. Selvarajoo, M. Tsuchiya, G. Lee, S. Cho // Exp. Mol. Med. — 2007. — Vol. 39, № 4. — P. 421-438.
39. Toll-like receptors: lessons to learn from normal and malignant human B cells / D. Chiron, I. Bekeredjian-Ding, C. Pellat-Deceunynck, R. Bataille, G. Jego // Blood. — 2008. — Vol. 112, № 6. — P. 2205-2213.
40. Trinchieri G., Sher A. Cooperation of Toll-like receptor signals in innate immune defence // Nat. Rev. Immunol. — 2007. — Vol. 7, № 3. — P. 179-90.
41. Trivedi S., Greidinger E.L. Endosomal Toll-like receptors in autoimmunity: mechanisms for clinical diversity // Therapy. — 2009. — Vol. 6, № 3. — P. 433-442.
42. Xiang M., Fan J. Pattern recognition receptor-dependent mechanisms of acute lung injury // Mol. Med. — 2010. — Vol. 16, № 1–2. — P. 69-82.
43. http://www.google.com.ua/imgres?imgurl=http://www.cstj.co.jp/reference/domain/images/tird.jpg&imgrefurl=http://www.cstj.co.jp/reference/domain/tir.php&usg=__BoE_whH3aGEGqUhACOtFziTivEE=&h=273&w=300&sz=22&hl=ru&start=1&itbs=1&tbnid=oyJpATGmdzmNvM:&tbnh=106&tbnw=116&prev=/images%3Fq%3Dtir%2Bdomen%26hl%3Dru%26sa%3DG%26gbv%3D2%26tbs%3Disch:1