Варианты образраспознающих рецепторов PRRs. Toll-подобные рецепторы

Обновлено: 16.05.2024

Несмотря на широкий спектр терапевтических и хирургических методов лечения, используемых в офтальмологии, их эффективность остается низкой при неадекватно протекающих острых воспалительных инфекциях глаза с выраженным аллергическим компонентом, таких как кератиты, конъюнктивиты; а также воспалительных процессах с аутоиммунным компонентом — рецидивирующие увеиты, кератиты, атипичный оптический неврит при сифилисе, коллагенозах. В патогенезе этих заболеваний играет роль иммунная реактивность организма, которая включает звенья врожденного и приобретенного (адаптивного) иммунитета.

Врожденная иммунная система образует первую линию защиты на пути патогенных агентов, проникающих в организм человека. Врождённый иммунитет реализуется через клеточные и гуморальные факторы. Факторы врожденного иммунного ответа предсуществуют или индуцируются быстро (минуты, часы) после инфекции. Компоненты врожденного иммунного ответа не изменяются в процессе жизни организма, контролируются генами зародышевой линии и передаются по наследству. К факторам неспецифической иммунной защиты относятся гуморальные (интерфероны, интерлейкины, хемокины, система комплемента, естественные антитела IgM и IgG) и клеточные факторы (толл-рецепторы, рецепторы цитокинов, естественные киллеры — NK-клетки, моноциты и макрофаги, дендритные клетки) [3].
Для выявления патогенной инвазии врожденная иммунная система высших позвоночных животных использует два способа — распознавание чужеродных для организма молекулярных структур инфекционного происхождения — патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (ПАМП), это компоненты клеточной стенки бактерий и грибов (ЛПС-липополисахариды, липопептиды, липопротеины, пептидогликан, β-глюкагон), либо микробные нуклеиновые кислоты или белки (флагеллин, профилин); второй способ — распознавание эндогенных факторов, возникающих в ответ на инфекцию (распознавание «измененного своего»). К эндогенным активаторам врожденного иммунитета относят белки теплового шока и мочевую кислоту, а также продукты некроза и апоптоза [12]. В 1994 г. П. Матцингер была выдвинута «теория опасности» и появился термин «дистресс-ассоциированные молекулярные паттерны» (ДАМП) — эндогенные молекулы, которые при инфекции или ином клеточном дистрессе (например, нарушение ионного баланса клетки, некротическая гибель собственных клеток) либо синтезируются вновь, либо появляются в необычных формах. В распознавании ПАМП и ДАМП участвуют паттерн-распознающие рецепторы (ПРР), в частности толл-рецепторы, которые распознают разнообразные классы микроорганизмов и обеспечивают индивидуализированную реакцию врожденной иммунной системы на разные типы инфекций. Рецепторы врожденной иммунной системы по сравнению с приобретенной более консервативны, не подвергаются соматической перестройке, их разнообразие ограничено и является результатом филогенеза, они с меньшей аффинностью (специфичностью) взаимодействуют с ПАМП и ДАМП. Однако ответ врожденной иммунной системы развивается быстрее и может приводить к быстрой элиминации патогенов без участия приобретенного иммунитета. Кроме того, ПРР реализуют свое влияние на приобретенный иммунитет с помощью дендритных клеток, основной функцией которых является индукция и регуляция Т-клеточного ответа.
Реализация специфичности врожденной иммунной системы ложится, в большей степени, на семейство эволюционно консервативных рецепторов, известных как Toll-подобные рецепторы (TLR), которые играют решающую роль в ранней защите организма от патогенов. TLR являются сигнальными патоген-распознающими рецепторами и рассматриваются исследователями как ключевые рецепторы врожденного иммунитета [15]. TLR участвуют в распознавании микробных компонентов и инициируют активацию внутриклеточных сигнальных путей, в результате чего происходит экспрессия генов цитокинов (ФНОα, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-12, ИФНα/β и других), костимуляторных молекул и некоторых других генов.
Общим свойством всех толл-рецепторов является их способность взаимодействовать со структурами бактерий, грибов, вирусов и проведение в ядро активационного сигнала, ведущего к повышению защитных неспецифических механизмов организма, в частности воспалительной реакции, что ведет в конечном итоге к гибели и элиминации патогена. Толл-рецепторы экспрессированы в иммуннокомпетентных тканях (миндалины, лимфоузлы, селезенка, тимус) и в покровных тканях (кожа, бронхо-легочный, гастроинтестинальный и урогенитальный эпителий, эпителий роговицы и конъюнктивы). На клеточном уровне толл-рецепторы широко экспрессированы на структурных клетках (эпителиальные, фибробласты, эндотелиальные) и на иммунных клетках — моноцитах, макрофагах, нейтрофилах, антигенпрезентующих дендритных клетках (ДК), естественных киллерах (NK-гранулярные лимфоциты периферической крови и лимфоидных органов) и в меньшей степени на эозинофилах, лимфоцитах [16, 17]. Между толл-рецепторами и системой интерферонов имеется взаимосвязь — пять типов TLR1, 5, 6, 9, 16 участвуют в индукции биосинтеза трёх основных классов интерферонов [7].
Tолл-рецепторы — семейство молекул, состоящее из 10 трансмембранных одноцепочечных белков-рецепторов со сходным строением и молекулярной массой 90-115 кДа. [4]. Они имеют внеклеточную, трансмембранную и внутриклеточную части. Внеклеточная часть TLR, богатая лейцином (LRR — leucin-rich repeat domain), связывается с лигандами (компонентами клетки) микроорганизмов. Внутриклеточная часть TLR (TIR-Toll interleukin-1 receptor), гомологичная внутриклеточному домену интерлейкин-1, отвечает за взаимодействие с адаптерными молекулами внутриклеточных сигнальных путей, что приводит к индукции синтеза провоспалительных генов и экспрессии интерферонов 1 типа, а также апоптоза. Передачу сигналов внутри клетки, несущей TLR, представляют как последовательную активацию цитоплазматических адапторных молекул (MyD88 и др.), киназ (МАРК) и ядерного фактора транскрипции (NF-kB) [1, 6]. Аббревиатура MyD88 используется для обозначения миелоидного дифференцированного фактора 88. Этот фактор до последнего времени рассматривался как универсальная адапторная молекула. Недавно были описаны еще три вида адаптерных молекул — MAL/TIRAP, TICAM-1 (TRIF) и TICAM (TRAM) (рис.).
Проведение активационного сигнала, индуцированного толл-рецепторами, происходит с участием нескольких вспомогательных молекул — CD11/CD18, CD14, MD2 [4]. Трансмембранный участок TLR обеспечивает внутриклеточную сортировку молекул TLR — в эндоплазматический ретикулум — TLR7, 8, 9 и на поверхность клетки — 2, 4, 6, 5, 10 [5].
Неконтролируемая активация ПРР, в том числе толл-рецепторов, потенциально опасна для организма, поскольку может вести к гиперэргическому воспалению. Чувствительность ПРР должна поддерживаться на таком уровне, который обеспечивал бы достаточно надежное распознавание микробов, но, по возможности, минимизировал повреждение тканей. Поэтому негативная регуляция паттерн-распознающих рецепторов может, с одной стороны, ингибировать функцию ПРР и препятствовать адекватной реакции врожденной иммунной системы, а с другой стороны, играть заметную роль в лечении патологий, обусловленных гиперактивацией этих рецепторов.
Изучение TLR выявило связь между врожденным и приобретенным иммунитетом. Взаимосвязь врожденного и приобретенного иммунитета осуществляется посредством дендритных клеток (ДК), специализированных фагоцитов, сконцентрированных в селезенке, лимфоузлах и коже. ДК, являясь антиген-презентующими клетками, ответственны за стимуляцию иммуннокомпетентных клеток. Они экспрессируют высокий уровень ко-стимуляторных молекул, необходимых для активации Т-лимфоцитов, что является началом специфического иммунитета.

Экспрессия толл-рецепторов тканями глазного яблока
Иммунногистохимические исследования показали, что TLR1, 2, 3, 4, 5 распределяются по всему эпителию конъюнктивы, лимба и роговицы [10, 19]. TLR5 интенсивнее флюоресцируют в поверхностных слоях эпителия лимба по сравнению с базальными. В конъюнктивальном эпителии TLR1 и 5 интенсивнее прокрашивают базальные слои. TLR2, 3, 5 также наблюдали в стромальных фибробластах конъюнктивы, лимба и роговицы. Здоровый конъюнктивальный эпителий, являясь первой линией защиты, экспрессирует высокие уровни TLR9 и средние значения TLR2 и TLR4 [16]. Jing Li с соавт. в своих иммунногистохимических исследованиях выявили слабую флюоресценцию на TLR9 конъюнктивы, лимба и роговицы в норме [10]. Эти уровни экспрессии изменяются у пациентов с весенним кератоконъюнктивитом, аллергическим конъюнктивитом у детей, при которых активируется выработка цитокинов и медиаторов воспаления, происходит инфильтрация тучными клетками, эозинофилами, лимфоцитами конъюнктивального эпителия и стромы. Длительное наблюдение за течением весеннего конъюнктивита выявило достоверное повышение уровня экспрессии TLR4, снижение TLR9 и незначительное снижение уровня экспрессии TLR2 по сравнению со здоровой конъюнктивой. Авторами установлено, что при весеннем конъюнктивите экспрессия в строму TLR4, главным образом, происходит из фибробластов, инфильтрированных эозинофилами и тучными клетками [16].
Отмеченное снижение уровня экспрессии TLR9 при весеннем конъюнктивите по сравнению со здоровой тканью на молекулярном уровне было подтверждено исчезновением специфического прокрашивания эпителия конъюнктивы на TLR9 в биоптатах [16]. Однако до сих пор имеется большой пробел в понимании механизмов, лежащих в основе снижения экспрессии TLR9 в эпителии конъюнктивы при весеннем конъюнктивите.
Роговичный и конъюнктивальный эпителий являются барьером, защищающим глаз от патогенных агентов. Роговица человека экспрессирует различные виды толл-рецепторов — TLR3, TLR4, TLR5 [10]. Исследования на крысах показали, что при кератитах эпителиальные клетки экспрессируют высокие уровни TLR4, TLR2,TLR9 [16].
В некоторых исследованиях показано, что при простом вирусе герпеса типа 1 экспрессируются в эпителий роговицы TLR7 [13]. Роговичный эпителий обладает уникальной способностью модулировать функциональную активность экспрессированных TLR2, 4 и, следовательно, контролировать нежелательное воспаление. Фактически интактный роговичный эпителий не экспрессирует TLR2, 4 на клеточную поверхность и не связывается с лигандами микроорганизмов (TLR-немые формы) [10, 11, 16]. Интересен факт, что роговичный эпителий не реагирует на сапрофитную флору и редко вовлекается в воспалительный процесс при бактериальном конъюнктивите.
При патологических состояниях роговичный эпителий экспрессирует TLR4, которые взаимодействуют с TLR4-агонистами (липополисахаридами бактерий) и стимулируют выработку провоспалительных цито- и хемокинов [16, 18]. TLR-агонисты могут приводить к развитию кератита в результате специфической нейтрофильной реакции и разбалансированного местного воспаления. Язва роговицы, вызванная бактериальной инфекцией, приводящая в большинстве случаев к зрительным расстройствам, является следствием деструкции коллагеновых волокон роговицы под действием коллагенолитических ферментов. Инфильтрирующие язву лейкоциты (макрофаги и нейтрофилы) способствуют разрушению коллагена при взаимодействии с актированными кератоцитами. В недавних исследованиях показана роль фибробластов роговицы, активированных липополисахаридными комплексами бактерий путём экспрессии комплекса TLR4/CD14/MD-2 (так называемые активированные кератоциты) в развитии язвы роговицы. Активированные кератоциты активно продуцируют хемокины, интерлейкин-8, моноцитарный хемоаттрактивный белок 1 и молекулы межклеточной адгезии 1. Такие исследования показывают, что распознавание кератоцитами липолисахаридных комплексов бактерий и их последующая активация ведут к формированию язвы роговицы. Таким образом, активация роговичных TLR4 может иметь благоприятный и неблагоприятный эффекты, зависящие от силы, длительности воздействия патогена и эффективности его удаления [10, 16].
Однако вопрос по поводу механизма экспрессии TLR2 и 4 в эпителий роговицы при взаимодействии с липопротеидным комплексом бактерий остается спорным [10].
В популяции антиген-презентирующих клеток хориоидеи, цилиарного тела, радужки и склеры человека выявлены высокие уровни экспрессии TLR4, которые связаны с липополисахаридным рецепторным комплексом бактерий [11, 16]. В сосудистой оболочке человека в норме комплекс TLR4/CD14/MD-2 антигенпрезентирующих клеток относительно богато представлен в корне радужной оболочки и строме цилиарного тела, тогда как в хориоидеи и строме радужки обнаруживается редко [11]. Комплекс TLR4/CD14/MD-2 в увеальной ткани локализуется периваскулярно или субэпителиально. В противоположность другим тканям, например коже, в сосудистой оболочке этот комплекс не экспрессируется в эпителии и сосудистом эндотелии увеального тракта глаза [11]. Такая локализация толл-рецепторов в увеальной ткани является наиболее оптимальной для связывания с липополисахаридным комплексом грамнегативных бактерий гематоофтальмическим или интракоокулярным барьерами [11]. Локализация липополисахаридного рецепторного комплекса внутри сосудистой оболочки предполагает ответную реакцию только при проникновении микроорганизмов через гематоофтальмический и гистогематический барьеры. В норме комплекс TLR4/CD14/MD-2 не определяется на глазной поверхности, что можно объяснить иммунологически-привилегированным статусом глаза, в особенности роговицы.
Ретинальный пигментный эпителий экспрессирует высокие уровни TLR2, 3, 4, костимуляторные молекулы, а также TLR1, 7, 9, 10 [16]. Ретинальный пигментный эпителий принимает активное участие в иммунных реакциях сетчатки, являясь источником хемо-, цитокинов и ростовых факторов, которые противодействуют патологическим агентам (например, цитомегаловирус, коронаровирус, токсоплазма гондии). Исследования показали, что выработка TLR2, 3, 4 клетками ретинального пигментного эпителия повышается под действием агонистов — TLR3 и интерферона (IFN)-γ (молекул, взаимодействующих с паттернраспознающими рецепторами). В частности, агонисты TLR3 стимулируют выработку IFN-γ (активного ингибитора вирусной инфекции), IL-6, IL-8, моноцитарного хемоаттрактивного протеина 1 и молекул межклеточной адгезии [16].
Изучение структуры, сигнальных путей, экспрессии и распределения толл-рецепторов направлены не только на понимание молекулярных и иммунологических основ инфекционных и аутоиммунных процессов, но и разработку альтернативных терапевтических методов, модулирующих аллергические и иммунные реакции при этих процессах [2, 14].
Для создания быстрой и неспецифической защиты против патогенов возможно использование набора бактериальных антигенов, несущих панель патоген-ассоциированных молекулярных структур, которые являются лигандами для достаточно хорошо охарактеризованных девяти Toll-подобных рецепторов: TLR1 — TLR9. Весьма вероятно, что такая комбинация антигенов будет создавать быструю защиту не только против бактерий, но и против вирусов, поскольку некоторые бактериальные лиганды (ЛПС, CpG-мотив бактериальной ДНК) распознаются TLR2, TLR4 и TLR9, которые взаимодействуют с гликопротеинами вирусных оболочек и CpG-молекулами [2, 14].
Ряд авторов опубликовал результаты экспериментов, в которых исследовали резистентность к патогенам после введения синтетических лиганд для конкретных TLR [8]. В обобщенном виде эти результаты представлены в табл.

Толл-подобные рецепторы

Толл-подобные рецепторы - класс клеточных рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают консервативные структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ. Играют ключевую роль во врождённом иммунитете . Например, толл-подобный рецептор 4 ( TLR-4 ) узнаёт и связывается с консервативной структурой клеточной стенки грамотрицательных бактерий - липополисахаридом ( LPS ).

Toll-подобные рецепторы (TLR), относятся к семейству паттерн-распознающих рецепторов PRRs и осуществляют распознавание молекулярных структур патогенов PAMPs (экзогенных лигандов) и ряда эндогенных лигандов DAMPs (молекул, которые высвобождаются в ответ на повреждение клеток), обеспечивая быструю реакцию клетки. У млекопитающих и человека охарактеризованы 15 TLR (на 2016 г.), которые распложены на мембране, в эндосомах или в цитоплазме клеток, осуществляющих первую линию защиты (нейтрофилы, макрофаги, дендритные клетки и пр.). После связывания лиганда TLR запускают сигнальный каскад с вовлечением ряда адаптерных белков, что ведет к активации ядерных факторов и последующей продукции цитокинов и прочих молекул, ассоциированных с воспалением. TLR-сигнальный путь контролируется с помощью различных механизмов обратной связи. В целом, биологическая роль и механизмы функционирования TLR до конца не изучены.

Toll-подобные рецепторы (TLR), опосредующие распознавание молекулярных структур патогенов, экспрессируются на клетках разных типов, инициируя развитие иммунных реакций при связывании с различными лигандами. Несмотря на то, что у ряда организмов идентифицированы функциональные TLR, их биологическая роль и механизмы функционирования до конца не изучены.

Распознавание патогенов микробного происхождения является основополагающим компонентом иммунного ответа, включающим воспаление (Janeway, 1998). Этот ответ опосредуется рецепторами особого семейства, узнающими наиболее общие молекулярные компоненты (паттерны, PAMP - Pathogen Associated Molecular Patterns) микробов (вирусов, бактерий, паразитов и т.д.) и получившими название PRR (Pattern Recognition Receptors) (Medzhitov, 2000). После узнавания соответствующего специфического паттерна PRRs запускают серию сигнальных каскадов, которые представляют собой первую линию защиты от микробов. Кроме того, инициируемый PRRs сигнал запускает созревание дендритных клеток, которые подготавливают вторую линию иммунного ответа на инфекцию, известную как приобретенный иммунитет.

Toll-подобные рецепторы (TLRs) были первыми идентифицированными PRRs - рецепторами распознавания образов - англ. Pattern recognition receptors) (См. рисунок 1) (Lemaitre, 1996; Medzhitov, 1997).

Активация провоспалительных цитокинов и интерферонов через Toll-like рецепторы

Рисунок 1. Механизмы действия толл-подобных рецепторов.

Комментарий к рисунку: Активация воспалительных цитокинов и интерферона через TLRs начинается с распознавания TLR соответствующих агонистов ( красный цвет ). Взаимодействие адаптеров ТLRs и киназ из семейства IRAKs (IRAK 1 - 4) приводит к активации NF-kB (ядерного фактора «каппа-би») и MAP-киназ , основных регуляторов транскрипции цитокинов и интерферона (Lemaitre, 1996; Medzhitov, 1997).

В состоянии покоя неактивированные TLRs находятся на мембране клеток в мономерной форме. После активации Toll-подобных рецепторов происходит их олигомеризация. Олигомерный рецептор способен связывать несколько внутриклеточных адаптерных белков, которые обеспечивают последующую передачу сигнала. Эти белки имеют участок специфического связывания с активированными Toll-подобными рецепторами, TIR (от англ. Toll-interleukin-1 receptor) домен, который состоит из 3 консервативных участков, участвующих в белок-белковом взаимодействии. Всего существует 5 адаптерных белков с TIR-доменом : MyD88 , TIRAP , TRIF , TRAM и SARM . Различные рецепторы имеют свой набор этих адаптерных белков, необходимых для передачи сигнала. Только рецептор TLR4 способен связывать все 5 белков.

Строение Toll-like рецепторов

Все TLRs имеют сходное строение и представляют собой интегральные трансмембранные белки, т.е. белки, которые насквозь пронизывают липидный бислой, в котором они постоянно находятся (интегральные, т.к. прочно связаны с цитоплазматической мембраной (интегрированы). Поверхностная зона молекулы, ответственная за связывание лиганда, представлена N-концевой областью аминокислотной последовательности из 19-25 повторяющихся участков, обогащенных лейцином. Далее следует переходный участок, отвечающий за прикрепление рецептора к клеточной мембране, обогащенный цистеином. Внутренняя дистальная часть рецептора представлена TIR (Toll/IL-receptor) доменом, получившим свое название из-за одинакового строения этого участка у TLRs и у рецепторов цитокинов семейства IL-1 .

Значимость Toll-like рецепторов

Важное значение участия TLRs в деятельности иммунной системы было показано в экспериментальных работах на нокаут-мышах, имеющих искусственно вызванные мутации генов различных TLRs. Так, мыши, имеющие мутацию гена, кодирующего TLR4, погибали при инфицировании 1-2 колониеобразующими единицами (КОЕ) Salmonela typhimurium, в то время как у нормальных животных гибель происходила при введении более 2000 КОЕ этих бактерий. В других экспериментах была показана высокая восприимчивость TLR4-дефицитных мышей к Escherichia coli, Neisseria meningitides и Candida albicans. Подобные результаты были получены и при изучении роли TLRs в защите от вирусных инфекций. Опубликованы результаты исследований, в которых показано участие TLRs при развитии опухолей.

Участие Толл-подобных рецепторов во врожденном иммунитете

Участие Toll-like рецепторов во врожденном иммунитете обеспечивается:

1. Инициацией выделения провоспалительных цитокинов, необходимых для физиологического иммунологического ответа при различных воздействиях, среди которых одно из центральных мест занимают различные инфекции;
2. регуляцией активности нейтрофилов; особую роль при этом играют TLR-2 и TLR-4, первый из которых защищает клетки от апоптоза, а второй проявляет себя как важный регулятор выживаемости нейтрофилов (см. рис. 3);

3. контролем активации, дифференциации и выживаемости В-лимфоцитов, в котором активное участие принимают TLR-2, TLR-4 и TLR-9 (этот путь активации В-лимфоцитов сопровождается усилением выброса кальция, фосфорилированием некоторых киназ, усилением эндоцитоза, синтеза иммуноглобулинов и рассматривается как альтернативный путь активации В-лимфоцитов);
4. обеспечением поддержания врожденного иммунитета кишечника, что связано с экспрессией TLRs эпителиальными клеками его слизистой;
5. участием в функционировании клеток центральной нервной ситемы, большинство которых экспрессируют TLRs (микроглия, нейроны, астроциты, эндотелиальные клетки сосудов мозга), имеются данные о дифференцированном влиянии TLRs на функции микроглии.

Участие Толл-подобных рецепторов в приобретенном иммунитете

Участие Toll-like рецепторов в приобретенном иммунитете обусловлено:

1. Активацией CD4 + и CD8 + T-лимфоцитов;
2. стимуляцией функций различных антиген-распознающих клеток: дендритных, которые экспрессируют TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-7, TLR-9;

5. регуляцией гомеостаза фибробластов, миофибробластов, фибробластоподобных синовиоцитов, эндотелиальных и эпителиальных клеток, в частности, с участием TLR-2, TLR-4, TLR-6;
6. регуляцией клеток нормального эпителия (TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-5), а также клеток эндотелия;
7. потенцированием приобретенного иммунитета с включением различных механизмов

Лиганды Толл-подобных рецепторов

Для TLRs также наиболее подробно изучен и идентифицирован спектр PAMPs . TLRs - это трансмембранные белки первого типа, содержащие лейцин-богатые повторы в эктодомене, трансмембранный и цитозольные домены. Эктодомен узнает микробные паттерны, в то время как цитозольный домен активирует сигнальные пути в цитоплазме клетки. В зависимости от локализации TLRs в клетке выделяют рецепторы, расположенные в цитоплазматической мембране (TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, TLR10 и TLR11) или в мембранах внутриклеточных органелл (TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9) — лизосом, эндосом, аппарата Гольджи. Лигандами рецепторов, локализованных на цитоплазматической мембране, являются поверхностные структуры микроорганизмов — липопротеин, липополисахариды, флагеллин, зимозан.

Молекулярная регуляция метаболизма и клеточного цикла

Толл-подобные рецепторы (англ. Toll-like receptor, TLR; от нем. toll — большой, восхитительный ) — класс клеточных рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают консервативные структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ. Играют ключевую роль во врождённом иммунитете. Например, толл-подобный рецептор 4 узнаёт и связывается с консервативной структурой клеточной стенки грамотрицательных бактерий — липополисахаридом. Название получили благодаря сходству с белком, который кодируется открытым в 1985 году геном Toll у дрозофилы.

Известно 13 толл-подобных рецепторов млекопитающих, обозначаемых аббревиатурами от TLR1 до TLR13, которые связывают различные лиганды и продуцируются в организме различными типами клеток. У человека существует 10 толл-подобных рецепторов (от TLR1 до TLR10), у мыши — 12 (от TLR1 до TLR9, а также TLR11-13). Ген TLR11 у человека содержит несколько стоп-кодонов, и белок не синтезируется. Предполагается, что этот ген у человека репрессирован из-за гомологии естественного лиганда с профилином человека и его потенциальной реакции на этот белок.

История открытия

В 1985 году при исследовании различных мутаций у мушки-дрозофилы знаменитый немецкий биолог Кристиана Нюсляйн-Фольхард обнаружила личинок-мутантов с недоразвитой вентральной частью тела. Её немедленная реплика была «Das war ja toll!» («Вот это класс!»). Эпитет толл (классный) был позднее дан соответствующему гену в качестве его названия. [1]

В 1996 году выяснилось, что этот ген отвечает не только за дорзо-вентральную поляризацию при эмбриональном развитии, но и за устойчивость дрозофилы к грибковой инфекции. Это открытие французского ученого Жюля Офмана было удостоено Нобелевской премии 2011 года. В 1997 году Руслан Меджитов и Чарлз Джейнуэй из Йельского университета обнаружили толл-подобный гомологичный ген у млекопитающих (сейчас он носит название TLR4). [2] Оказалось, что TLR4 вызывает активацию ядерного фактора каппа-B NF-κB таким же образом как, и интерлейкин-1. Наконец, в 1998 году выяснилось, что лигандом для рецептора является компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий липополисахарид.

TOLL-ПОДОБНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ ВО ВРОЖДЕННОМ И АДАПТИВНОМ ИММУНИТЕТЕ

Толл-подобные рецепторы - класс клеточных рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают консервативные структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ. Играют ключевую роль во врождённом иммунитете. Например, толл-подобный рецептор 4 (TLR-4) узнаёт и связывается с консервативной структурой клеточной стенки грамотрицательных бактерий - липополисахаридом (LPS).

Роль Толл-подобных рецепторов (TLR), активаторов врожденного иммунитета в патогенезе ряда дерматозов

Представлен обзор о функциях Толл-подобных рецепторов (ТLR) в коже, их роли в активизации врожденного иммунитета при ряде хронических дерматозов, в развитии или осложнении которых играют роль различные патогены (бактерии, вирусы, грибы).

Ключевые слова

Полный текст

Окружающая среда заселена разнообразными патогенными микроорганизмами (бактерии, грибы, вирусы и др.), однако организм человека оснащен совершенной системой защиты, позволяющей в норме даже не замечать опасного соседства. "Первая линия" иммунной обороны — врожденный иммунитет, он уничтожает вторгшиеся в организм патогены на основе механизма "свой—чужой", распознавая определенные черты, присутствующие у "захватчиков", но отсутствующие в собственном организме. В случае проникновения инфекции вступает в работу "вторая линия" — приобретенный, или адаптивный, иммунитет, который действует посредством специфических к конкретной инфекции антител и клеток-киллеров, уничтожающих зараженные клетки и саму инфекцию. В отличие от врожденного иммунитета способность к распознаванию патогенов которого закодирована генетически, приобретенный иммунитет обучается распознавать новые "образы" врага и сохраняет длительную память о нем, мгновенно "вспоминая", встретившись вновь. Вопросы организации иммунной системы изучались в течение XX века постепенно, однако только с работами Б. Бетлера, Ж. Хоффмана и Р. Стайнма-на [10] стали понятны механизмы, активирующие врожденный иммунитет и связывающие его с приобретенным. Роль врожденного иммунитета, очевидно, более сложна, чем неспецифические механизмы активации системы комплемента или фагоцитоз. В 1989 г. Карл Джановей [6, 8] предположил, что на поверхности клеток человека расположены генетически запрограммированные образраспознающие рецепторы, узнающие молекулярные структуры на поверхности микроорганизмов. Открытие Ж. Хофф -маном сенсоров врожденного иммунитета было сделано уже в 1996 г., когда он с группой ученых исследовал механизмы сопротивления дрозофилы инфекциям [7]. Работая на линиях мух, мутантных по нескольким генам, включая ген Toll, участвующий в эмбриональном развитии, Ж. Хоффман с коллегами открыли, что мухи с мутантным геном Toll погибали при заражении бактериями или грибами, в то время как другие выживали, в результате чего был сделан вывод о том, что продукт этого гена (Toll-рецептор) чувствует патогенные микроорганизмы и способен запускать механизмы врожденного иммунитета. В 1998 г. Б. Бетлер с коллегами в процессе поиска рецепторов, которые могли бы реагировать на бактериальный липополисахарид (ЛПС) клеточной стенки возбудителя, обнаружили, что мыши, не реагирующие на введение ЛПС, имели мутации в гене, гомологичном Toll у дрозофил [10]. Продукт этого гена (Toll-подобный рецептор — TLR) и оказался искомым сенсором ЛПС [10]. Процесс связывания ЛПС выявляет присутствие бактерий, активирует врожденный иммунитет и инициирует воспалительную реакцию. У членистоногих и млекопитающих, включая человека, используются схожие механизмы защиты от бактериальной агрессии. Открытия Ж. Хоффмана и Б. Бетлера фактически положили начало новым исследованиям в иммунологии: впоследствии было открыто более 13 разновидностей TLR, каждый из которых способен распознавать свой "образ", характерный для определенных групп микроорганизмов. Мутации в генах этих рецепторов повышают вероятность инфекционных заболеваний, а также хронических воспалительных болезней [5, 9]. TLR — трансмебранные клеточные рецепторы, являющиеся частью иммунной системы, а именно врожденного иммунитета, которые располагаются в барьерных тканях (кожа и слизистые оболочки, пищеварительный тракт, легкие). TLR экспрессируются на кератиноцитах, клетках Лангерганса, макрофагах, моноцитах, гранулоцитах. TLR входят в группу паттерн-распознающих рецепторов (pattern recognition receptors — PRRs). PRRs соединяются с микробными структурами, называемыми патоген-ассоциированным молекулярным паттерном (pathogen associated molecular pattern — PAMP) [2, 4, 5]. TLR обладают как внеклеточным доменом (лейцином), благодаря которому распознаются патоген-ассоциированные молекулярные паттерны микроорганизмов (бактерии, дрожжеподобные грибы или вирусы), так и внутриклеточным доменом (гомологичный цитоплазматическому), который участвует в индукции клеточного ответа путем коррекции про-воспалительных цитокинов и антимикробных пептидов [1]. В процессе связывания микробных структур с внеклеточным доменом TLR подается сигнал, запускающий каскад реакций со специфическими посредниками воспаления, что приводит к высвобождению различных цитокинов и дефенсинов [6, 11]. Так, например,^Я2 активируются путем соединения с микробами, что запускает воспалительный каскад, включающий в основном интерлейкин (IL)-8, а также IL-1, IL-6 и другие цитокины. Таким образом, первым на внедрение патогена в организм реагирует именно врожденный иммунитет. Происходит это следующим образом: патогенный микроорганизм контактирует с кожей или слизистой оболочкой, а эпителиальные клетки с помощью TLR узнают и идентифицируют его — определяя, к какому классу патогенов он относится (грамотрица- 48 № 2, 2012 тельные или грамположительные бактерии, грибы, вирусы и др.). В результате эпителиальные клетки соответствующим образом активируются и начинают синтезировать множество молекул, в том числе сигнальные молекулы — хемокины (цитокины, стимулирующие движение других клеток к месту образования), привлекающие в эту зону клетки иммунной системы — макрофаги, нейтрофилы, базофилы, эозинофилы и тучные клетки. В результате организуется зона воспаления, которая справляется с внедрившимся патогеном [2, 4, 5, 9]. Подобные процессы происходят в организме постоянно и незаметно, так как в норме не возникает клинических проявлений, воспринимаемых организмом как болезнь. Результаты инновационных научных исследований последних лет показали, что при ряде заболеваний (себорейный дерматит, акне, атопический дерматит) микроорганизмы являются осложняющим фактором и первичный ответ, запускаемый при встрече с рядом микроорганизмов (разновидности Malassezia, P.acnes, S. aureus, вирусы папилломы человека и др.), связан с активацией определенных видов TLR [3, 5]. Так, установлено, что воспаление, вызванное P.acnes, наблюдается при различных формах акне, S. aureus — при атопическом дерматите, M. lepra, Borrelia burgdorferi активирует TLR2 и TLR4. Воспаление, спровоцированное дрожжевыми грибами разновидности Malassezia или Candida, активируют тот же TLR2, вирусы папилломы человека — TLR7 и TLR8. При таких хронических воспалительных заболеваниях, как псориаз, M.furfur может запустить активацию TLR2, TRL7, TLR8, TLR9 [2, 4, 5]. Целый ряд исследований (in vivo) посвящен модулированию реакции TLR2 в человеческой коже при контакте с разными микроорганизмами. В эксперименте было протестировано соединение экстракта натурального растения (из семейства Ombelliferae) с синтетическим липидом с длинной цепочкой на нормальной коже человека (TLR2-regul®) при кон -такте с микробными экстрактами M.furfur, S.aureus или P.acnes. С целью оценки действия комплекса TLR2-regul® на характер экспрессии IL-8, который является одним из главных цитокинов, выделяемых при активации TLR2 в кератиноцитах при контакте с микробными экстрактами, показано, что все микробные экстракты спровоцировали значительное повышение экспрессии IL-8 во всех образцах кожи (p < 0,001). В образцах кожи, предварительно получившей лечение анти-TLR2-антителами, экспрессия IL-8 не повысилась от воздействия микробных агентов, а образцы кожи, получавшие предварительное лечение комплексом TLR2-regul® при контакте с микробными экстрактами, показали значительное снижение продукции IL-8 (82%) по сравнению с таковым в контроле (p < 0,001) [4, 5]. Сдвиги в составе и нарушения регуляторной функции TLR могут стать причиной самых разных патологий. Так, снижение активности TLR сказы вается на микробном биоценозе, и тогда условнопатогенная микрофлора становится постоянной микрофлорой организма, что приводит к атипичным формам воспалительных процессов, вызываемых условно-патогенными микроорганизмами, которые при нормальном состоянии TLR не развиваются [3]. Еще одно важное отличие реакций врожденного иммунитета в том, что они развиваются быстро — в течение 1—2 ч, а для адаптивных (приобретенные) реакций требуется свыше 2 сут. Зрелые клетки естественного (врожденный) иммунитета уже присутствуют в организме, а для размножения и созревания специфических лимфоидных клеток адаптивного иммунитета требуется время. Обнаружение TLR на делящихся клетках эпителия (кожный покров) и эндотелия стало важным вкладом в развитие современных представлений о защитных функциях кожи, так как ранее считалось, что эпителиальный покров тела представляет собой только механический барьер на пути инфекции. Сегодня стало очевидно, что, проникая через слизистую оболочку или кожу, инфекционный агент сразу же сталкивается с мощным специфическим ответом врожденной иммунной системы, которая мгновенно распознает тип патогена и в течение нескольких часов самостоятельно развертывает действия по его уничтожению, привлекая адаптивный иммунитет в случае неудачи. Таким образом, образраспознающие TLR активируют не только врожденный, но и адаптивный иммунитет. Интерес к врожденному иммунитету непрерывно растет в дерматологии особенно в связи с открытием новых перспектив в патогенетически обоснованном лечении дерматологических заболеваний. Создание активных препаратов, способных модулировать немедленный иммунный ответ, основанный на TLR-регуляции, может создать новые пути в области лечения воспалительных заболеваний кожи, осложненных такими микроорганизмами, как P. acnes, S. aureus или M. furfur [5]. Дерматологическая лаборатория "Uriage"(Фран-ция) разработала серию препаратов лечебного ухода, содержащих инновационный TLR2-regul complex®. Гамма средств D.S. — эмульсия и очищающий гель (D.S. emulsion и D.S. cleansing gel) для себоре-гулирующего ухода (лицо, тело и волосистая часть головы). Гамма Hyseac A.I. — противовоспалительный уход для кожи с тенденцией к акне. Гамма Cu — Zn + — гигиена и уход за раздраженной, атопичной и кожей с высоким риском инфицирования. Все препараты, содержащие TLR2-regul complex®, способны быстро регулировать процесс воспаления, вызванный микроорганизмами P. acnes, S. aureus или M. furfur, путем модуляции ответа TLR2 в коже, который направлен на ограничение их роста и размножения. Они рекомендуются в комплексной терапии хронических дерматозов, осложненных вторичной инфекцией (себорейный дерматит, атопический дерматит, акне) [2, 4, 5].

Об авторах

Е. С Снарская

Список литературы

Материалы к занятию 11. Toll-подобные рецепторы.

2. Функционирование

TIR домен

После активации толл-подобных рецепторов происходит их олигомеризация. Олигомерный рецептор способен связывать несколько внутриклеточных адаптерных белков, которые обеспечивают последующую передачу сигнала. Эти белки имеют участок специфического связывания с активированными толл-подобными рецепторами, TIR (от англ. Toll-interleukin-1 receptor ) домен, который состоит из 3 консервативных участков, участвующих в белок-белковом взаимодействии. Всего существует 5 адаптерных белков с TIR-доменом: MyD88, TIRAP, TRIF, TRAM и SARM. Различные рецепторы имеют свой набор этих адаптерных белков необходимых для передачи сигнала. Только рецептор TLR4 способен связывать все 5 белков.

Активация и передача сигнала

В неактивном состоянии толл-подобные рецепторы находятся в мембране в мономерном состоянии. При активации они димеризуются, что приводит к последующей передаче сигнала внутрь клетки. Большинство рецепторов образуют гомодимеры, в то время как, например TLR2 образует гетеродимеры с TLR1 или TLR6 в зависимости от лиганда. Активация толл-подобных рецепторов происходит при связывании лигандов, которыми для них являются определённые структуры бактерий, вирусов и грибков. Функционирование некоторых толл-подобных рецепторов может также зависеть от ко-рецепторов. Например, TLR4 рецептор для распознавания бактериального липополисахарида требует наличия MD-2, CD14 и липополисахарид-связывающего белка.

После связывания лиганда и активации рецептора он связывается в цитоплазме с TIR домен-содержащими адаптерными белками, набор которых варьирует в зависимости от типа рецептора и сигнального пути. Например, TLR3 связывается с TICAM-1 (TRIF). TLR4 может взаимодействовать либо с MyD88 и TIRAP, индуцируя синтез провоспалительных цитокинов, либо с TICAM-1 и TICAM-2, что приводит к синтезу интерферонов. Адаптерные белки связываются со специфическими ферментами-киназами (IRAK1, IRAK4, TBK1 или IKKi), которые значительно усиливают сигнал и приводят в конечном итоге к индукции определённых генов, которые определяют воспалительный ответ клетки. В целом, толл-подобные рецепторы являются одними из наиболее мощных клеточных генных модуляторов.

3. Типы

Толл-подобные рецепторы активируются различными лигандами, которые, главным образом, являются структурными компонентами бактерий, вирусов и грибков. Они также различаются по адаптерным белкам, с которыми связываются их цитозольные фрагменты. Рецепторы, как правило, локализуются на клеточной мембране, но могут быть и внутри клетки. Набор толл-подобных рецепторов варьирует в зависимости от типа клетки.

4. Активация провоспалительных цитокинов и интерферонов через Toll-like рецепторы

Рисунок 1. Механизмы действия толл-подобных рецепторов.

Комментарий к рисунку: Активация воспалительных цитокинов и интерферона через TLRs начинается с распознавания TLR соответствующих агонистов (красный цвет). Взаимодействие адаптеров ТLRs и киназ из семейства IRAKs (IRAK 1 - 4) приводит к активации NF-kB (ядерного фактора «каппа-би») и MAP-киназ, основных регуляторов транскрипции цитокинов и интерферона (Lemaitre, 1996; Medzhitov, 1997).

В состоянии покоя неактивированные TLRs находятся на мембране клеток в мономерной форме. После активации Toll-подобных рецепторов происходит их олигомеризация. Олигомерный рецептор способен связывать несколько внутриклеточных адаптерных белков, которые обеспечивают последующую передачу сигнала. Эти белки имеют участок специфического связывания с активированными Toll-подобными рецепторами, TIR (от англ. Toll-interleukin-1 receptor) домен, который состоит из 3 консервативных участков, участвующих в белок-белковом взаимодействии. Всего существует 5 адаптерных белков с TIR-доменом: MyD88, TIRAP, TRIF, TRAM и SARM. Различные рецепторы имеют свой набор этих адаптерных белков, необходимых для передачи сигнала. Только рецептор TLR4 способен связывать все 5 белков.

5. СТРОЕНИЕ TOLL-LIKE РЕЦЕПТОРОВ

6. ЗНАЧИМОСТЬ TOLL-LIKE РЕЦЕПТОРОВ

7. УЧАСТИЕ ТОЛЛ-ПОДОБНЫХ РЕЦЕПТОРОВ ВО ВРОЖДЕННОМ ИММУНИТЕТЕ

Участие Toll-like рецепторов во врожденном иммунитете обеспечивается:

8. УЧАСТИЕ ТОЛЛ-ПОДОБНЫХ РЕЦЕПТОРОВ В ПРИОБРЕТЕННОМ ИММУНИТЕТЕ

Участие Toll-like рецепторов в приобретенном иммунитете обусловлено:

3. активацией макрофагов, тучных клеток, в частности, с участием TLR-9, что особенно выражено при действии генетического материала ДНК-вирусов бактерий, грибов;
4. активным включением в экспансию и функционирование регуляторных клеток — T-reg, которые экспрессируют высокий уровень TLR-4, TLR-5, TLR-7 и TLR-8 (см. рис. 3);3. активацией макрофагов, тучных клеток, в частности, с участием TLR-9, что особенно выражено при действии генетического материала ДНК-вирусов бактерий, грибов;
4. активным включением в экспансию и функционирование регуляторных клеток — T-reg, которые экспрессируют высокий уровень TLR-4, TLR-5, TLR-7 и TLR-8 (см. рис. 3);

9. ЛИГАНДЫ ТОЛЛ-ПОДОБНЫХ РЕЦЕПТОРОВ

Для TLRs также наиболее подробно изучен и идентифицирован спектр PAMPs. TLRs - это трансмембранные белки первого типа, содержащие лейцин-богатые повторы в эктодомене, трансмембранный и цитозольные домены. Эктодомен узнает микробные паттерны, в то время как цитозольный домен активирует сигнальные пути в цитоплазме клетки. В зависимости от локализации TLRs в клетке выделяют рецепторы, расположенные в цитоплазматической мембране (TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, TLR10 и TLR11) или в мембранах внутриклеточных органелл (TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9) — лизосом, эндосом, аппарата Гольджи. Лигандами рецепторов, локализованных на цитоплазматической мембране, являются поверхностные структуры микроорганизмов — липопротеин, липополисахариды, флагеллин, зимозан.

Читайте также: