一文带你完全了解Toll样受体（一）——结构
分享一篇2010年nature immunology的一篇综述（IF：20.5）——The role of pattern-recognition receptors in innate immunity: update on Toll-like receptors
想要了解Toll样受体（TLRs）首先要知道模式识别受体（PRRs）和微生物或病原体相关分子模式(MAMPs或PAMPs)。PRRs由树突状细胞、单核/巨噬细胞和自然杀伤细胞等天然免疫细胞表达，是介导宿主和微生物交流的关键分子。PAMP包括来自广泛微生物(如细菌、病毒、寄生虫和真菌)的脂质、脂蛋白、蛋白质和核酸，简单而言，表达于人体先天免疫细胞的PRRs识别由微生物病原体产生的PAMPs，触发一系列信号事件，在炎症、免疫和代谢过程中发挥作用。
以往我们认为先天免疫是非特性识别微生物，然而20世纪90年代中期发现的TLRs与PAMPs的特异性作用是我们知道先天免疫，先天免疫系统对病原体的识别实际上是特异的。
PPRs家族分两类，一类是跨膜蛋白，如Toll样受体(TLRs)和C型凝集素受体(CLRs)，另一类是细胞质蛋白，如维甲酸诱导基因(RIG)-I样受体(RLRs)和Nod样受体(NLRs)。TLR是I型跨膜蛋白，其胞外结构域含有富含亮氨酸的重复序列，介导PAMPs的识别；跨膜区；以及下游信号转导所需的细胞内T细胞因子-白细胞介素1(IL-1)受体(TIR)结构域。到目前为止，已在人类和小鼠中分别鉴定出10个和12个功能性TLR，其中TLR1-TLR9在这两个物种中都是保守的。由于逆转录病毒的插入，小鼠TLR10不起作用，TLR11、TLR12和TLR13已经从人类基因组中丢失。对每种TLR缺陷小鼠的研究表明，每种TLR在PAMP识别和免疫反应方面都有不同的功能。同时要注意的是，尽管TLR对于抵抗感染的保护性免疫是必不可少的，但不恰当的TLR反应会导致急性和慢性炎症，以及系统性自身免疫性疾病。
根据TLR的细胞定位和各自的PAMP配体，TLR主要分为两个亚群。
- TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6和TLR11：表达于细胞表面，主要识别脂质、脂蛋白和蛋白质等微生物膜成分
- TLR3、TLR7、TLR8和TLR9：仅在内质网、内小体、溶酶体和内溶酶体等细胞内囊中表达
图1，细胞表面TLR对PAMP的识别。
TLR4与MD2形成复合物，与LPS结合。LPS的6条脂链中有5条与MD2结合，其余的脂链与TLR4结合。由两个拷贝的TLR4MD2LPS复合物组成的受体多聚体的形成最初通过招募含有TIR结构域的接头TIRAP(MAL)和MyD88(MyD88依赖的途径)来传递NF-κB早期激活的信号。TLR4-MD2-LPS复合物被内化并保留在内吞体内，通过招募TRAM和TRIF来触发信号转导，从而激活IRF3和晚期NF-κB以诱导I型干扰素(TRIF依赖途径)。NF-κB的早期和晚期激活都是诱导炎性细胞因子所必需的。TLR2-TLR1和TLR2-TLR6杂二聚体分别识别三酰化和二酰化脂肽。三酰化脂肽的三条脂链中有两条与TLR2相互作用，第三条与TLR1的疏水通道结合(TLR6缺失)。TLR2-TLR1和TLR2-TLR6通过募集TIRAP和MyD88诱导NF-κB活化。TLR5识别鞭毛蛋白并通过MyD88激活NF-κB。
一、细胞表面的TLRs的结构与其配体
TLR4——识别LPS
TLR家族的创始成员之一，被确定为对细菌脂多糖(LPS)做出反应的长期寻找的受体，LPS是革兰氏阴性细菌外膜的一种成分，可导致感染性休克。TLR4与MD2在细胞表面形成复合物，共同作为主要的LPS结合成分。TLR4-MD2与LPS复合物的结构研究表明，LPS的6条脂链中有5条与MD2的疏水口袋结合，其余暴露在MD2表面的脂链与TLR4结合。磷酸基团还与TLR4的带正电残基相互作用。由此形成的由两个拷贝的TLR4-MD2-LPS复合物组成的受体多聚体通过招募细胞内适配器分子启动信号转导。（其他蛋白质，如LPS结合蛋白(LBP)和CD14也参与了LPS结合。LBP是一种与LPS结合的可溶性血浆蛋白，CD14是一种糖基化磷脂酰肌醇连接的富含亮氨酸重复序列的蛋白，它与LBP结合并将LPSLBP运送到TLR4-MD2复合物。除了结合LPS，TLR4还参与识别呼吸道合胞病毒融合蛋白、小鼠乳腺肿瘤病毒包膜蛋白、肺炎链球菌肺炎溶血素和植物来源的细胞抑制药物紫杉醇，尽管TLR4与这些配体之间的相互作用还没有提供结构上的见解。）
TLR2——识别酰化脂肽
TLR2参与识别来自细菌、真菌、寄生虫和病毒的广泛的PAMP 。它们包括细菌的脂肽、革兰氏阳性细菌的肽聚糖和脂磷壁酸、分枝杆菌的脂阿拉伯甘露聚糖、真菌的酵母多糖、克氏锥虫的tGPI-粘蛋白和麻疹病毒的血凝素蛋白，其中包括细菌的脂肽、革兰氏阳性细菌的肽聚糖和脂磷壁酸、分枝杆菌的脂阿拉伯甘露聚糖、真菌的酵母多糖、克氏锥虫的tGPI-粘蛋白和麻疹病毒的血凝素蛋白。TLR2通常与TLR1或TLR6形成异二聚体。
- TLR2-TLR1异二聚体识别革兰氏阴性细菌和支原体的三酰化脂肽，在TLR2-TLR1-配体复合物中，Pam3CSK4(三酰化脂肽)的三条脂链中的两条与TLR2相互作用，而第三条链与TLR1的疏水通道结合。因此，便于识别三酰化脂肽。
- TLR2-TLR6异二聚体识别革兰氏阳性细菌和支原体的二酰化脂肽。然而，TLR6不存在疏水通道，因此TLR2-TLR6杂二聚体不识别三酰化脂肽。TLR1和TLR6的不同脂质结合口袋共同负责脂蛋白之间的区分。
虽然人们认为TLR2激动剂主要诱导炎性细胞因子的产生，而不是由巨噬细胞和树突状细胞(DC)产生I型干扰素，但它可以在感染痘苗病毒时由炎性单核细胞产生I型干扰素，这表明TLR2在抗病毒反应中具有细胞类型特异性的作用。似乎核酸通常是产生I型干扰素的诱因，但并不参与TLR2的激活。
TLR5——识别鞭毛蛋白
TLR5识别细菌鞭毛3的鞭毛蛋白成分。小肠CD11c+CD11b+固有层树突状细胞TLR5高表达。固有层树突状细胞在促进产生IL-17的辅助性T细胞(TH17细胞)和辅助性T细胞1型(TH1)的分化，以及在鞭毛蛋白的应答下将幼稚的B细胞分化为产生免疫球蛋白A的浆细胞方面是独一无二的。此外，固有层树突状细胞能够产生维甲酸，促进这些体液和细胞免疫反应。小鼠肾脏和膀胱高表达TLR11，是TLR5的近缘基因。TLR11被认为识别泌尿系致病细菌成分，因为TLR11基因缺陷的小鼠容易感染这些细菌。TLR11还能识别弓形虫21的Profilin样分子。
图2，细胞内TLR对PAMP的识别
TLR3识别来自病毒或病毒感染细胞的dsRNA；dsRNA与TLR3胞外结构域凸面侧面的N-末端和C-末端结合，这有助于通过C-末端区域形成同源二聚体。TLR3激活依赖TRIF的途径，诱导I型干扰素和炎性细胞因子。在pDC中，TLR7识别内溶酶体中单链RNA病毒来源的单链RNA，并通过MyD88分别激活NF-κB和IRF7诱导炎性细胞因子和I型干扰素。此外，自噬还参与了将ssRNA运送到表达TLR7的囊泡的过程。TLR9可以识别来自DNA病毒和细菌的DNA。TLR9的蛋白水解是下游信号转导所必需的。TLR9招募MyD88来激活pDC中的NF-κB和IRF7。TLR3、TLR7和TLR9在稳态时主要定位于内质网，并与其配体结合到内溶酶体。UNC93B1与ER中的这些TLR相互作用，对这种贩运是必不可少的。
二、细胞内的TLRs的结构与其配体
TLR3
最初被认为是识别双链RNA(DsRNA)的合成类似物，多肌苷多胞酸(Poly(I：C))，它模拟病毒感染，通过促进I型干扰素和炎性细胞因子的产生来诱导抗病毒免疫反应。通过对人TLR3胞外结构域与dsRNA结合的结构分析，阐明了识别机制。TLR3胞外结构域具有大的马蹄形形状，可能具有增加其表面积和促进dsRNA识别的功能。DsRNA与TLR3胞外结构域凸面外侧的N和C末端的两个不同位点结合，提供了足够的稳定性，使TLR3能够通过C-末端区域形成同源二聚体。除了识别Poly(I：C)外，TLR3还识别呼肠孤病毒的基因组RNA、单链RNA(SsRNA)复制过程中产生的dsRNA、呼吸道合胞病毒、脑心肌炎病毒和西尼罗河病毒等病毒，以及某些小干扰RNA3。TLR3通过产生I型干扰素和炎性细胞因子来触发抗病毒免疫反应，提示TLR3在预防病毒感染中具有重要作用。与此一致的是，TLR3基因缺陷的小鼠容易感染小鼠巨细胞病毒25致死性感染，而人类的TLR3缺陷与对1型单纯疱疹病毒(HSV-1)26的易感性有关。
TLR7
TLR7最初被发现识别咪唑喹啉衍生物，如咪喹莫特和瑞喹莫德(R-848)和鸟嘌呤类似物，如洛索里宾(具有抗病毒和抗肿瘤特性)，识别来自RNA病毒的ssRNA，如水泡性口炎病毒，甲型流感病毒和人类免疫缺陷病毒。病毒感染后能产生大量I型干扰素的pDC高表达TLR7，pDC对RNA病毒的细胞因子诱导完全依赖于TLR7，提示TLR7是单链RNA病毒感染的感受器。TLR7介导的pDC对RNA病毒的识别是以复制无关的方式发生的。病毒被内化并招募到内溶酶体中，TLR7介导的ssRNA识别和抗病毒反应的启动被触发。此外，TLR7还检测到复制的水泡性口炎病毒通过自噬进入细胞质，这是细胞蛋白的溶酶体降解过程，涉及到称为自噬小体的双膜小泡的形成。此外，PDCs呈结构性自噬小体形成。这些发现表明，PDC自噬对于将胞质病毒复制中间产物运送到溶酶体很重要，TLR7参与了溶酶体对它们的识别和随后的抗病毒反应的启动。在溶酶体中，TLR7参与了TLR7的识别和随后的抗病毒反应的启动。
TLR8
TLR8在系统发育上与TLR7最为相似。人TLR8介导R-848和病毒ssRNA的识别。与缺乏TLR7的小鼠相比，缺乏TLR8的小鼠对这些激动剂的反应正常。TLR8在各种组织中表达，在单核细胞中表达最高，在细菌感染后表达上调。
TLR9
TLR9识别未甲基化的2‘-脱氧核糖核酸(胞苷-磷酸类鸟苷)(CpG)DNA基序，这些DNA基序经常存在于细菌和病毒中，但在哺乳动物细胞中很少见。合成的CpG寡核苷酸作为TLR9配体，直接激活DC、巨噬细胞和B细胞，并驱动强烈的TH1反应。当DNA寡核苷酸具有磷酸二酯骨架时，DNA的糖骨架2‘-脱氧核糖对于TLR9的识别是重要的。相反，CpG基序在非天然硫代磷酸盐的情况下是必不可少的。TLR9在pDC中高表达，是DNA病毒(如小鼠巨细胞病毒、HSV-1和HSV-2)感染的感受器。TLR9除了识别DNA外，还直接识别不溶性结晶血球蛋白，这是恶性疟原虫消化宿主血红蛋白后解毒过程中产生的副产物。
