Rola receptorów Toll-podobnych w odpowiedzi na infekcję

Rola receptorów Toll-podobnych w odpowiedzi na infekcję bakteryjną i
wirusową.
Katarzyna Wojciechowska
Zakład Genetyki Klinicznej Uniwersytetu Medycznego, ul.Radziwiłłowska11, 20-080Lublin
Układ immunologiczny człowieka rozpoznaje antygeny dzięki receptorom PRRs
(pattern recognition receptors), które występują na lub w komórkach odporności wrodzonej
np. limfocytach T i B, makrofagach, komórkach dendrytycznych, komórkach tucznych,
eozynofilach, neutrofilach oraz komórkach nabłonkowych, śródbłonka, kardiomiocytach,
adipocytach, fibroblastach i keratynocytach [8]. Jedną z najważniejszych grup PRR
receptorów są TLR receptory ( ang. Toll-like receptors). Stanowią one podstawowy i
najważniejszy mechanizm odpowiedzi nieswoistej umożliwiający zapoczątkowanie
odpowiedzi swoistej [12]. Receptory TLRs zlokalizowane są głównie w błonie komórkowej
(TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, TLR10, TLR11), niektóre znajdują się w błonie
pęcherzyków cytoplazmatycznych (TLR3, TLR7, TLR8, TLR9) [11].
Toll-podobne receptory rozpoznają różnego rodzaju struktury patogenów. Wykazano,
że ligandami TLR1 są: peptydoglikan, lipoarabinomannan, lipopeptydy, lipoproteidy,
modulina, LPS bakterii. TLR2 rozpoznje: peptydoglikan, LPS, kwas lipotejchojowy,
modulina, poryny bakterii G (+) oraz G (-), lipoarabinomannan, glikolipidy, lipopeptydy
prątków gruźliczych i niegruźliczych, zymosan grzybów. Ligandami TLR4 są m.in.: LPS
(lipid A), otoczka polisacharydowa, białka fimbrii bakterii Gram (-), w tym Salmonella sp. i
Yersinia sp.,kwas lipotejchojowy, białka fimbrii, czynnik komórkowy związany z labilnocieplnością bakterii Gram (+), w tym Bacillus anthracis, Mycobacterium tuberculosis i M.
bovis, HSP60 Chlamydophila pneumoniae, ds RNA birna i reowirusów, białko fuzyjne F i
białko osłonki wirusa cytomegalii. Flagellina bakterii Gram (-) jest rozpoznawana przez
TLR5, natomiast peptydoglikan, lipoproteidy, modulina, proteina A, kwas lipotejchojowy
bakterii Gram (+), Borrelia burgdorferii, lipopeptydy mykoplazm oraz zymosan grzybów
stymulują TLR6. TLR10 i TLR11 wiążą białka bakterii uropatogennych, w tym uropatogenne
szczepy E.coli [3].
Receptory Toll-podobne rozmieszczone w endosomach mają zdolność rozpoznawania
kwasów nukleinowych: TLR3 rozpoznaje dsRNA, TLR7 i TLR8 przyłączają ssRNA,
natomiast TLR9 ssCpGDNA [2].
Receptory TLR są białkami transbłonowymi składającymi się z trzech domen:
zewnątrz i wewnątrzkomórkowej oraz śródbłonowej. Domena zewnątrzkomórkowa ma
kształt podkowy i zawiera regiony bogate w leucynę LRR ( ang. Leucine- Rich Repeats).
Badania wykazały, iż domena zewnątrzkomórkowa TLR3, TLR4 oraz heterodimeru receptora
TLR2 i TLR1 posiada podobny do podkowy kształt solenoidu, zbudowany z 18 do 25
tandemowych powtórzeń motywów LRR oraz 20 do 30 charakterystycznie umiejscowionych
reszt hydrofobowych aminokwasów [7]. Motywy LRR są odpowiedzialne zarówno za
dimeryzację receptorów jak i za rozpoznawanie ligandów. Domena cytoplazmatyczna TLRs
wykazuje homologię z receptorem dla interleukiny 1 (IL-1R) i nazywana jest domeną TIR
(ang. Toll/IL-1R homology domain) [7]. Regiony bogate w leucynę (LRR) są odpowiedzialne
1
za rozpoznawanie ligandu, domena TIR za inicjację wewnątrzkomórkowego szlaku
transdukcji sygnału [1].Cytoplazmatyczne domeny TIR stanowią pewnego rodzaju
„platformę” na płaszczyźnie której dochodzi do interakcji z białkami adaptorowymi. Domena
TIR posiada molekułę adaptorową, którą stanowi jedno z czterech białek: MyD88 (ang.
myeloid differentiation primary response protein 88), TIRAP (ang. TIR-domain-containing
adaptor protein ) nazywany również MAL (ang. MyD88 adaptor-like), TRIF (ang. TIR
domain-containing adapter inducing IFN-β), TRAM (ang. TRIF-related adaptor molecule)
lub SARM (ang. sterile alpha and HEAT- Armadillo motifs) [16].
Po rozpoznaniu struktury patogenu TLRs przewodzą sygnał aktywacji reakcji
zapalnej. W wewnątrzkomórkowe szlaki transdukcji sygnałów zaangażowanych jest wiele
różnych białek. Dzięki dużej możliwości wychwytywania i łączenia się z patogenami
wnikającymi do organizmu, TLRs powodują silną aktywację i modulację reakcji obronnych
układu immunologicznego. Pobudzenie wszystkich receptorów Toll-podobnych aktywuje
jądrowy czynnik kappa B ( ang. nuclear factor-kappa B) poprzez MyD88 lub TRIF-zależny
szlak transdukcji sygnału. TLR3 i TLR4 pobudzają produkcję interferonowego czynnika
regulacyjnego (ang. interferon regulatory factor) IRF3 przy pomocy białka TRIF podczas gdy
TLR7 i TLR9 aktywują IRF7 poprzez szlak zależny od białka MyD88 [7].
Szlaki transmisji sygnału pochodzące od różnych TLRs są złożone i często bardzo
skomplikowane. Uważa się, iż istnieją dwa główne szlaki transdukcji, w których pośredniczą
domeny TIR i białka adaptorowe. W jednym ze szlaków kluczowym białkiem adaptorowym
jest MyD88, w drugim TRIF. TLR3 wykorzystuje w szlaku transdukcji sygnału białko TRIF.
TLR5, 7, 8, 9,11 aktywują bezpośrednio MyD88.TLR4 wykorzystuje białka TIRAP i TRAM
do tworzenia błonowych kompleksów sygnalizacyjnych i aktywacji MyD88. TLR2 w celu
pobudzenia MyD88 wykorzystuje białko TIRAP [4].
Białko MyD88 aktywuje kinazy serynowo-treoninowe IRAK: IRAK1 i IRAK4.
Kinazy te pobudzają czynnik TRAF-6 ( ang. tumor necrosis factor receptor-associated factor
6 ) oraz domenę RING ligazy ubikwitynowej, która poprzez poliubikwitynację aktywuje
kinazę TAK1. Następnie kinaza TAK1 aktywuje kompleks IKK, który fosforyluje inhibitory
NF-κB. NF-κB reguluje ekspresję genów m.in. odpowiedzialnych za produkcję cytokin
prozapalnych [4].
Zlokalizowane na endosomach: TLR7, TLR8 i TLR9 w odpowiedzi na wirusowy
RNA i/lub DNA aktywują białko MyD88, które następnie rekrutuje kinazy IRAK i BTK. Do
tego kompleksu dołączane jest białko TRAF6. W zależności od rodzaju aktywowanych
komórek do kompleksu MyD88, IRAK1 i TRAF6 mogą zostać przyłączone TRAF3, IKK i
IRF-7 w plazmacytoidalnych komórkach dendrytycznych lub IRF-1 i IRF-5 w mieloidalnych
komórkach dendrytycznych i makrofagach, co włącza równoległe szlaki prowadzące do
rozpoczęcia syntezy cytokin prozapalnych oraz IFN typu I [5].
TLR3 w zależności od typu komórek jest zlokalizowany na powierzchni endosomu
lub na błonie komórkowej. W ludzkich fibroblastach TLR3 obecny jest w błonie
cytoplazmatycznej, natomiast w makrofagach i komórkach dendrytycznych jego ekspresja
jest obserwowana w błonie pęcherzyków wewnątrzplazmatycznych [10]. Ligandem tego
receptora jest długi fragment dsRNA. Dwie cząsteczki receptora Toll-podobnego 3
zaangażowane są w proces łączenia ligandu; jedna przyłącza dsRNA, druga obraca się o 180 0
aby jej domena zewnątrzkomórkowa mogła połączyć się z komplementarną nicią dsRNA i
ustabilizować powstały dimer [14]. Szlak transdukcji sygnału TLR3 zostaje przesłany za
pośrednictwem białka adaptorowego TRIF. TRIF odziałuje z białkami TRAF3 i TRAF6 co
włącza dwa równoległe szlaki przekazywania sygnału wewnątrzkomórkowego. Białko
TRAF6 za pośrednictwem kinaz RIP1 i RIP3 aktywuje kompleks kinazy inhibitora czynnika
jądrowego κB co prowadzi do fosforylacji inhibitora IκB, uwolnienia czynnika jądrowego
NF-κB i syntezy cytokin prozapalnych. Drugi szlak transdukcji sygnału aktywowany przez
2
białko TRAF3 angażuje kinazę TBK-1 i kinazę inhibitora czynnika jądrowego κB , która
fosforyluje czynniki regulatorowe IRF-3 i IRF-7. Aktywowane IRF-3 i IRF-7 tworzą
homodimery i/lub heterodimery, przechodzą do jądra komórkowego, gdzie wiążą się z
elementami odpowiedzi stymulowanych przez interferon – ISRE, indukując ekspresję genów
IFN typu I [5].
TLR4 jest jednym z najlepiej poznanych i opisanych w literaturze receptorów Tollpodobnych [1]. Jest on również jedynym receptorem, który w szlak transdukcji sygnału
angażuje aż cztery białka adaptorowe, które zawierają domenę TIR. Do aktywacji TLR4
dochodzi w wyniku jego odpowiedzi na stymulację bakteryjnym lipopolisacharydem (LPS).
W reakcję łączenia lipopolisacharydu (LPS) z TLR4 zaangażowane jest białko MD-2 [6] oraz
białko CD14 [13]. Komponenta CD14 znajduje się na powierzchni makrofagów, monocytów,
granulocytów i limfocytów B. Postać błonowa CD14 (mCD14) zakotwiczona jest w błonie
komórkowej za pomocą łącznika glikofosfatydyloinozytolowego. Białko CD14
charakteryzuje się dużym powinowactwem do LPS, jednak samo białko nie jest w stanie
przekazywać sygnału do wnętrza komórki. Inicjacja procesu jest możliwa dopiero po
utworzeniu kompleksu z TLR4. W szlak transdukcji sygnału TLR4 zaangażowany jest
zarówno szlak MyD88- zależny jak i MyD88- niezależny [1]. Białko TIRAP, które jest
konstytutywnie zlokalizowane przy błonie komórkowej posiada domenę TIR, która może
łączyć się z domeną TIR białka MyD88. Pobudzenie TLR4 może prowadzić do
oligomeryzacji cytoplazmatycznej domeny TIR lub zmiany konformacyjnej tej domeny, co
następnie umożliwia zaangażowanie w szlak transdukcji białko MyD88. Natomiast w reakcji
bezpośredniego wiązania MyD88 do błony komórkowej niezbędny jest udział białka TIRAP i
TLR4. Regulacja przyłącznia adaptorów poprzez ich możliwość wiązania z błoną komórkową
nie jest ograniczona do białka TIRAP. Udowodniono również, iż białko TRAM, które jest
zaangażowane wyłącznie w szlaku transdukcji TLR4, posiada miejsce mirystylacji na Nkońcu, odpowiedzialne za jego łączenie z błoną komórkową. Mutacje w sekwencji Nmirystylacji powodują zaburzenia prawidłowej produkcji cytokin w odpowiedzi na
stymulację LPS-em [4]. W szlaku MyD88- zależnym aktywacja MyD88 oraz TIRAP
prowadzi do produkcji cytokin prozapalnych oraz NF-κB. Szlak MyD88- niezależny angażuje
białka TRIF i TRAM inicjując produkcję interferonu typu I zależną od IRF3 [15].
Receptory Toll-podobne stanowią ważną grupę receptorów rozpoznających cząsteczki
patogenu, biorą udział w rozpoznaniu zagrożenia i inicjacji odpowiedzi immunologicznej.
Pozwalają one również organizmowi ludzkiemu rozróżnić antygeny obce od własnych.
Przesyłanie sygnału wewnątrzkomórkowego poprzez TLRs prowadzi do modulacji i
ekspresji genów odpowiedzialnych za syntezę czynników przeciwbakteryjnych, cytokin
prozapalnych, dojrzewanie komórek dendrytycznych (wzrost ekspresji molekuł
kostymulujących i MHC), które uzyskują większą zdolność prezentacji antygenów.
W niektórych przypadkach odpowiedź nieswoista jest niewystarczająca do zwalczenia
istniejącego zakażenia i niezbędna jest aktywacja procesów odporności swoistej. Aktywacja
komórek APC poprzez TLRs powoduje wzrost syntezy cytokin prozapalnych (TNF-a, IL-1, 6, -8, -12), chemokin, tlenku azotu (NO) i wzrost ekspresji molekuł adhezyjnych oraz molekuł
kostymulujących (CD40, CD80, CD86) na tych komórkach [9]. Pomimo ogromnego postępu,
jaki dokonał się w ostatnich latach w badaniach receptorów Toll-podobnych, wiele pytań
dotyczących roli i ich funkcjonowania pozostaje nadal bez odpowiedzi.
Literatura:
1. Akira S, Takeda K. Toll-like receptor signalling. Nat. Rev. Immunol. 2004; 4:499–511.
2. Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity. Cell. 2006;
124: 783–801.
3
3. Deptuła W, Tokarz- Deptuła B, Niedźwiedzka P. Rola i znaczenie receptorów Tollpodobnych w odporności. Post. Mikrobiol. 2006; 45: 221-231.
4. Fitzgerald K, Chen Z. Sorting out Toll Signals. Cell. 2006; 125: 834-836.
5. Gieryńska M, Schollenberger A. Molekularne rozpoznawanie zakażeń wirusowych –
stymulacja odpowiedzi immunologicznej. Postępy Hig. Med. Dosw. 2011; 65: 299-313.
6. Haas T et al. The DNA sugar backbone 20 deoxyribose determines Toll-like receptor 9
activation. Immunity. 2008; 28 :315–323.
7. Ishii K, Koyama S, Nakagawa A, Caban C, Akira S. Host innate immune receptors and
beyond: making sense of microbial infections. Cell Host Microbe. 2008; 6: 352-367.
8. Kędziora S, Słotwiński R. Molekularne mechanizmy towarzyszące rozpoznawaniu
patogenu przez receptory wrodzonej odporności. Postępy Hig. Med. Dosw. 2009; 63: 30-38.
9. Majewska M, Szczepanik M. Rola receptorów Toll-podobnych (TLR) w odporności
wrodzonej i nabytej oraz ich funkcja w regulacji odpowiedzi immunologicznej. Postepy Hig.
Med. Dosw. 2006; 60: 52-63.
10. Matsumoto M et al. Subcellular localization of Toll-like receptor 3 in human dendritic
cells. J. Immunol., 2003; 171: 3154–3162.
11. Nishiya T, DeFranco A. Ligand-regulated chimeric receptor approach reveals distinctive
subcellular localization and signaling properties of the Toll-like receptors. J. Biol. Chem.
2004; 279: 19008–19017.
12. Pachówka M, Kluk M, Korczak-Kowalska G. Rola receptorów Toll-podobnych (TLR) w
indukcji i regulacji odpowiedzi immunologicznej. Postępy biologii komórki. 2009; 3: 429442.
13. Palsson-McDermott E, O’Neill L. Signal transduction by the lipopolysaccharide receptor,
Toll-like receptor-4. Immunology. 2004; 113: 153–162.
14. Pirher N, Ivičak K, Pohar J, Benčina M, Jerala R. A second binding site for doublestranded RNA in TLR3 and consequences for interferon activation. Nat. Struct. Mol. Biol.
2008; 15: 761–763.
15. Yamamoto M et al. Role of adaptor TRIF in the MyD88-independent toll-like receptor
signaling pathway. Science. 2004; 301: 640–643.
16. Yamamoto M, Takeda K, Akira S. TIR domain-containing adaptors define the specificity
of TLR signalling. Molec. Immun. 2004; 40, 861-868.
4