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1、TLRs介导的RNA病毒识别及固有免疫应答TLRs介导的RNA病毒识别及固有免疫应答 摘要 固有免疫（innate immunity）又称非特异性免疫 ( nonspecific immunity)，是人体抵抗外来生物入侵的第一道防线。与适应性免疫相比，固有免疫具有作用范围广、反应出现快、参与反应的免疫细胞多、相对稳定性和遗传性等特点。近年来，固有免疫在分子水平上的识别及调控机制越来越受到关注。哺乳动物的固有免疫识别及调控主要通过一系列的模式识别受体( pattern recognition receptor，PRR)识别病原微生物上表达的保守的病原体相关分子模式( pathogen asso

2、ciated molecular pattern，PAMP) 来实现，这种形式让机体不但可以发现入侵的病原体，而且能够识别其类型，并通过一系列信号途径活化效应分子，识别自我与非我，激活与调控固有免疫应答，并且相互协同或互相调节以形成调控网络，从而控制并清除病原体，在固有免疫中发挥独特的功能。本文主要介绍TLRs介导的宿主细胞对RNA病毒感染的识别以及固有免疫应答。关键字 固有免疫；模式识别受体；RNA病毒；TLRs Abstract Innate immunity, also known as nonspecific immunity, is the first defense against

3、 the pathogen invasion. Compared with adaptive immunity, there are lots of characteristics of innate immunity such as the wide range of effects, rapid reaction, more immune cells involved in the reaction. In recent years, the molecular mechanism of the recognition and regulation in innate immunity h

4、as received more and more attention. The innate immune recognition and regulation of mammalian species is achieved by a series of pattern recognition receptors (PRRs) that recognize the pathogen associated molecular pattern (PAMPs) expressed on pathogenic microorganisms, which can not only help the

5、body find the invasion of pathogens, but also identify its type. In this way the body can identify self and non-self and activate the innate immune response, removing pathogens. In this paper, we pay mainly attention on the recognition of host cells for RNA virus infection mediated by TLRs and the i

6、nnate immune response induced . Key words innate immune; PAMPs; PRRs; RNA virus; TLRs; RLRs; NLRs PRRs对PAMP的识别可以明显上调参与炎症反应的基因的转录。这些基因主要编码炎性细胞因子（趋化因子）、I型干扰素（IFNI）、和抗菌蛋白等。I型干扰素（IFN-和IFN-）的产生在抗病毒应答反应中起着关键作用，它可以诱导影响蛋白质合成，生长调节以及细胞凋亡的基因的表达，同时可以加快树突状细胞的成熟、增强自然杀伤细胞的细胞毒性以及促进病毒特异性的T淋巴细胞分化成熟，从而引发机体适应性免疫应答。1 宿主

7、PRRs可以识别的病毒PAMPs包括基因组DNA、单链RNA（ss-RNA）、双链RNA（dsRNA）、末端三磷酸化的RNA和病毒蛋白。与RNA病毒感染识别有关的PRRs有三类：Toll样受体（Toll-like receptors, TLRs）、维甲酸诱导基因样受体（Retinoic acid-inducible gene （RIG-）-like receptors，RLRs）和核苷酸结合寡聚化结构域样受体（Pucleotide-binding oligomerization domain（NOD）-like receptors，NLRs）2-7。Toll-like Receptors To

8、ll样受体是第一个被发现的具有模式识别功能的蛋白。20世纪90年代，德国科学家在描述果蝇胚胎中决定胚胎被腹轴线发育的一组基因时首先用到Toll一词，该基因在果蝇胚胎发育过程中会造成轴线发育不良。后来，相继有人发现Toll与抗菌肽的生成以及防止真菌感染有关，从此，揭开了 Toll样受体作为模式识别受体研究的序幕。在结构上，TLRs属于型跨膜蛋白, 分布于细胞表面和胞内体膜上, 其胞膜外区有含亮氨酸富集重复 (Leucine-rich repeats，LLR) (Fig.1),该区是 TLRs识别 PAMPs的部位, 胞内区有一与人白细胞介素 1受体(IL-1R) 胞内区结构相似的TIR(Toll

9、/IL1 receptor homologous region, TIR)功能区，该部位是TLRs活化后招募接头分子并向下游传递信号的功能结构域。8人类TLR多基因家族包括10个成员，其中与RNA病毒识别有关的主要是TLR2、TLR3、TLR4、TLR7和TLR8。在这几种TLRs中，TLR1、 TLR2、 TLR4、 TLR5 和 TLR6 主要分布于细胞膜的表面，识别微生物膜上的组成成分并招募下游分子，将信号传递至细胞内；而TLR3、 TLR7、 TLR8、 TLR9 主要分布于细胞内部胞内体的膜上，例如内质网、核内体、溶酶体等，识别病原体内的核酸成分15当病毒颗粒通过胞吞作用进入细胞并释

10、放基因组RNA后，就会被这几种TLRs识别并引发下游免疫应答。参与固有免疫中RNA病毒识别的TLRsTLR2. Toll样受体2（TLR2）与多数能够识别病毒侵入的PRRs不同，因为其不能识别核酸序列，而是识别病毒糖蛋白。TLR2特异性表达在大多免疫细胞的细胞表面。据报道，TLR2可以和共同受体TLR1或TLR6形成异二聚体，并识别病毒体组分，例如病毒包膜糖蛋白多肽序列。因此，有证据表明TLR2能够识别麻疹病毒的血凝素蛋白（HA），并能够启动对淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）感染的免疫反应16。 通过对丙型肝炎病毒（HCV)核心蛋白和非结构蛋白3（NS3）的检测发现，TLR2还与HCV诱

11、导的炎症反应相关17。TLR3. Toll样受体3（TLR3）能够识别dsRNA。dsRNA可以构成某些RNA病毒基因组，如轮状病毒（呼肠孤病毒），同时是ssRNA病毒的复制中间体。TLR3定位于巨噬细胞、B淋巴细胞和cDC细胞的胞内区室，并且在NK细胞、上皮细胞和成纤维细胞的细胞膜表面和细胞内都有TLR3的表达18。 TLR4. Toll样受体4（TLR4）可以通过识别呼吸道合胞病毒（RSV）的融合蛋白参与人类细胞中对RNA病毒的抗病毒防御，并且TLR4可以识别小鼠乳腺肿瘤病毒（MMTV）和鼠白血病病毒（MuLV）的包膜（Env）蛋白，随后可以促进DC细胞的成熟和促炎症细胞因子的表达19。T

12、LR7/TRL8. TLR7和TLR8在结构上极为相似并且都存在于细胞内噬体的内膜上。 TLR7也主要分布于浆细胞样树突状细胞，可以识别来自RNA病毒的富含鸟苷和尿苷的ssRNA寡核苷酸序列20-25。 有研究表明，TLR7也可以识别小干扰RNA（ short interfering RNAs ,siRNA）。TLR8是在系统发育和功能上与TLR7最为密切相关的，它同样能够识别ssRNA。 表1 TLRs识别的RNA病毒及其配体（摘自Sren Jensen，2012）ReceptorVirusLigandTLR7Influenza A virusssRNAVesicular stomatiti

13、s virusssRNAHuman immunodeficiency virusssRNADengue virusssRNASendai virusssRNALactate dehydrogenase-elevating virusssRNAMouse mammary tumor virusssRNAMurine leukemia virusssRNATLR8Human immunodeficiency virusssRNATLR3ReoviridaedsRNARespiratory syncytial virusdsRNAWest Nile virusdsRNACoxsackievirus

14、B3dsRNAPoliovirusdsRNAInfluenza A virusdsRNAPunta Toro virusdsRNATLR2Measles virusHALymphocytic choriomeningitis virusUnkownHepatitis C virusCore protein/NS3TLR4Respiratory syncytial virusFusion proteinCoxsackievirus B4UnkownMouse mammary tumor virusEnvelope proteinMurine leukemia virusEnvelope prot

15、einTLRs介导的信号通路TLRs识别抗原刺激介导的信号通路主要可以激活三个信号通路：丝裂原激活蛋白酶（mitogen-activatedproteinkinases，MAPKs）、干扰素调节因子（interferon regulatory factors，IRFs）和核因子B（nuclear factor kappalight-chain-enhancer of activated B cells，NF-B）。其中，IFR3/IFR7 会继续诱导型干扰素的产生，MAPKs可以激活活化蛋白1（AP-1，一个可以激活c-JUN的异源二聚体转录因子），AP-1和NF-B一起诱导炎症相关基因和适应

16、性免疫激活基因的表达，包括IL-1、IL-18、肿瘤坏死因子（Tumor necrosis factor，TNF）。目前，大家主要将 TLR信号通路分为 2 个途径:一个是可以诱导炎症和刺激细胞因子产生的 MyD88 依赖途径，另一个则是产生 IFN-和调节树突状细胞成熟的 MyD88 非依赖途径。对大多数TLRs而言， MyD88 依赖的信号通路最为重要，其参与了除 TLR3之外所有 TLRs介导的信号转导。当病原体入侵机体时， TLRs被激活,使TLRs中的TIR结构域被髓样分化因子88( myeloid differentiation factor 88，MyD88) 识别，形成 MyD

17、88-TLR复合体，从而激活下游的 IL1 受体相关激酶( IL1 receptor-associated kinase，IRAK) ，随后 IRAK1 会离开 MyD88-TLR 复合体，去与肿瘤坏死因子受体相关因子6( TNF receptor association factor 6，TRAF6) 结合，介导NF-B和 MAPKs的活性，从而释放 TNF-、IL1、IL12 等促炎因子。而 IRAK1 的活化则受到 Tollip 蛋白( anti-Tollinteracting protein) 和 IRAK-M 的抑制，来调节机体固有免疫应答反应(Fig.1)11。 对于 MyD88

18、非依赖的途径来说，主要通过募集 干扰素TIR结构域接头蛋白( TIR-domain-containing adaptor inducing interferon-，TRIF) ，导致 NF-B 和干扰素调节因子3( interferon regulatory factor 3， IRF3) 通路的活化，诱导 IFN-和炎症因子的释放。例如TLR4 被内吞后转移到胞内，与转位链相关膜蛋白( translocating chain-associated membrane protein， TRAM) 和 TRIF 形成复合物，而后募集肿瘤坏死因子受体作用因子 3( TNF receptor-ass

19、ocited factor 3， TRAF3) 和蛋白激酶 TBK1( tank binding kinase 1) ，从而导致 IFN-的表达(Fig.2)12。TRAM-TRIF 还可以募集 TRAF6 和 TAK1 ( TGF-activated kinasel) ，来调节 NF-B 和 MAPK 后期活性。对 TLR9 来说，其主要表达在浆细胞样树突细胞( plasmacytoid DCs，pDCs) 内，通过定位于不同的细胞器来激活两条不同的信号通路13。Fig. 2 TLR信号通路：（摘自Sasai M，2010）通过各自的配体激活TLRs，随后接头分子MYD88,TIRAP,TR

20、IF以及TRAM被募集然后进一步激活激酶TAK1,MAOKs，TRAF3,TBK1,以及IKKs，导致了转录因子 AP-1,NF-B, IRF3, 或者IRF7转录因子的核定位，随后激活干扰素和促炎症因子的转录。结语 自20世纪90年代以来，有关机体固有免疫的研究取得了巨大进展, 特别是固有免疫识别受体和病原相关分子模式 的发现、鉴定及其概念的提出意义重大。 这使得人们对固有免疫的认识发生了巨大改变。在这一过程中, 病毒这一重要的病原微生物的模式识别受体也得到了深入广泛的研究。虽然近些年来, 我们对于病毒固有免疫识别受体已经有了一个比较全面和深入的了解, 但是我们依然应该看到当前这方面还存在的

21、一些问题。如病毒的有些模式分子在正常细胞中也存在, 那么这些受体是通过怎样的精细方式对之加以区别? 此外, 有些病毒, 如流感病毒, 它感染细胞以后横穿胞质而过进入细胞核，在那里完成其脱壳与复制等一系列生物学过程，但是细胞核中并不存在如前文所述的那些识别受体，那么机体是如何对这些病毒进行识别是这一领域科学家一直在探索的问题。最后，我们对于很多当前威胁人类和动物健康的病毒的固有免疫识别受体还知之甚少。所以进一步深入细致研究病毒固有免疫识别受体的作用机制对于我们为治疗病毒性疾病设计相关的药物和疫苗研制指明方向，也将增进我们对于各种病毒致病机制的认识。参考文献：1 Jensen S,Thomsen

22、AR. Sensing of RNA Viruses: a Review of Innate Immune Receptors Involved in Recognizing RNA Virus Invasion.J Virol.2012 Mar;86(6):2900-10. 2 Medzhitov R Approaching the asymptote: 20 years laterImmunity.2009 Jun 19;30(6):766-75. 3 Kawasaki T，Kawai T，Akira SRecognition of nucleic acids bypatternrecog

23、nition receptors and its relevance in autoimmunityImmunol Rev.2011 Sep;243(1):61-73.4 Zhang Z，Yuan B，Bao M，et alThe helicase DDX41 senses intracellular DNA mediated by the adaptor STING in dendritic cellsNat Immunol.2011 Sep 4;12(10):959-65.5 Zhang Z，Kim T，Bao M，et al DDX1,DDX21,and DHX36 helicases

24、form a complex with the adaptor molecule TRIF to sense dsRNA in dendritic cellsImmunity.2011 Jun 24;34(6):866-78.6 Burdette DL，Monroe KM，Sotelo-Troha K，et al STING is a direct innate immune sensor of cyclic di-GMPNature.2011 Sep 25;478(7370):515-8.7 Takeuchi O,Akira S.Pattern Recognition Receptors a

25、nd Inflammation.Cell.2010 Mar 19;140(6):805-20.8 王景锋, 邵军军, 常惠芸. 病毒固有免疫识别受体研究进展.ISSN1007-8738细胞与分子免疫学杂志(China J Cell Mol Immunol) 2009 , 25( 12). 9 Akira S, Uematsu S, Takeuchi O.Pathogen recognition and innate immunity. Cell 2006. 124:783801.10 胥静丁力，张俊平. Toll 样受体和其他分子识别受体在固有免疫中的相互作用.Journal of Pharm

26、aceutical Practice,Vol.32,No.5,September 25,2014.11 Kobayashi K，Hernandez LD，Galan JEIRAK-M is a negative regulator of Tolllike receptor signaling.Cell,2002,110( 2) :19120212 Barton GM，Kagan JCA cell biological view of Tolllike receptor function: regulation through compartmentalizationNat Rev Immuno

27、l, 2009，9( 8) : 535542 13 Sasai M，Linehan MM， Iwasaki A Bifurcation of Tolllike receptor 9 signaling by adaptor protein 3Science，2010，329 ( 5998) : 15301534 14 Broering R,Lu M,Schlaak JF.Role of Toll-like receptors in liver health and disease.Clin Sci (Lond).2011 Nov;121(10):415-26.15 Blasius AL，Beu

28、tler BIntracellular tolllike receptorsImmunity，2010，32( 3) : 30531516 BiebackK.Hemagglutinin protein of wild-type measles virus activates Toll-like receptor 2 signaling.J Virol.2002 Sep;76(17):8729-36.17 Chang S, Dolganiuc A, Szabo G. Toll-like receptors 1 and 6 are involved in TLR2-mediated macroph

29、age activation by hepatitis C virus core and NS3 proteins. J. Leukoc. Biol. 82:479487. 18 Hornung V, et al. Quantitative expression of Toll-like receptor 1-10 mRNA incellular subsets of human peripheral blood mono nuclear cells and sensitivity to CpG oligodeoxynucleotides. J. Immunol. 168: 45314537.

30、 19 Kurt-Jones EA, et al. Pattern recognition receptors TLR4 and CD14 mediate response to respiratory syncytial virus. Nat. Immunol. 1:398401. 20 Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity. Cell 124:783801. 21 Delaloye J, et al. 2009. Innate immune sensing of modied vac

31、cinia virus Ankara (MVA) is mediated by TLR2-TLR6, MDA-5 and the NALP3 inammasome. PLoS Pathog. 5:e1000480. 22 Diebold SS, Kaisho T, Hemmi H, Akira S, Sousa CRE. Innate antiviral responses by means of TLR7-mediated recognition of singlestranded RNA. Science 303:15291531. 23 Fitzgerald KA. IKK epsilon and TBK1 are essential components of the IRF3 signaling pathway. Nat. Immunol. 4:491496. 24 Akira S, Takeda K, Kaisho T. Toll-like receptors: critical proteins linking innate and acquired immunity. Nat. Immunol. 2:675680. 25 Akira S, Takeda K.Toll-like receptor signalling