Toll-like receptor

Toll-like receptor 3; v jeho štruktúre sú viditeľné naviazané rôzne pomocné skupiny, hlavne cukorné zložky

Toll-like receptory (TLR) sú evolučne konzervované transmembránové receptory zohrávajúce kľúčovú úlohu v prirodzenej imunitnej odpovedi. Sú súčasťou receptorov rozoznávajúcich molekulárne vzory (patern recognition receptors, PRR) a primárne sa vyskytujú na bunkách imunitného systému, ako sú makrofágy, dendritické bunky, neutrofily, mastocyty a B-lymfocyty. Rovnako ich však môžeme nájsť aj na bunkách neimunitného pôvodu ako sú fibroblasty alebo bunky epitelu. Pôsobia ako významné senzory na prítomnosť patogénov alebo poškodenia vlastných buniek a tkanív. V prípade rozoznania patogénu sú schopné aktivovať prirodzený imunitný systém a produkciu množstva prozápalových molekúl ako sú cytokíny, interferóny alebo antimikrobiálne peptidy. U ľudí poznáme 10 funkčných TLR označených TLR1 – 10, ktoré sa nachádzajú, buď na bunkových povrchoch (plazmatická membrána – TLR1, 2, 4, 5, 6), alebo sú lokalizované na intracelulárnych membránach (endoplazmatické retikulum, endozomálna membrána – TLR3, 7, 8, 9). Väčšina cicavcov, až na drobné výnimky, zdieľa rovnaký repertoár pre TLR. U myší napríklad poznáme aj TLR 11, 12 a 13 ktoré u ľudí absentujú.

História toll-like receptorov

Prvé náznaky, že receptory, ako sú TLR existujú siahajú do roku 1989, kedy Charles Janeway prvý raz vyslovil predpoklad, že existuje receptor prirodzenej imunity rozoznávajúci molekulárne vzory (PRR) hrajúci významnú úlohu v prepojení prirodzenej a adaptívnej imunity. Trvalo, však, ešte niekoľko rokov kým sa spomínané receptory podarilo objaviť a popísať. V roku 1991 bolo zistené, že molekula IL-1R1 (receptor pre IL-1, o ktorom sa vedelo, že disponuje pyrogénnymi účinkami a podieľa sa na aktivácii T lymfocytov) je homologická s cytoplazmatickým proteínom vyskytujúcim sa u druhu D. Melanogaster, ktorý sa nazýval Toll. Tento objav bol do značnej miery prekvapujúci, pretože jediná známa funkcia Toll proteínu zahŕňala riadenie dorzo-ventrálnej polarity vo vývoji embryí D. Melanogaster. Dorsal, jeden z proteínov aktivovaných práve cez Toll, rovnako hrajúci úlohu v určovaní dorzo-ventrálnej polarity sa zase ukázal, že zdieľa homologickú doménu s NF-κB, o ktorom sa vedelo že zohráva významnú úlohu v prozápalových dejoch u cicavcov. V roku 1994 sa podarilo objaviť N proteín u rastlín spojený s rezistenciou proti vírusu tabakovej mozaiky. Cytoplazmatická signalizačná doména pre N proteín sa ukázala byť podobná IL-1R1 a bola pomenovaná TIR (Toll- like resistance domain). Neskôr sa zistilo, že Toll dokáže aktivovať u drozofíl aj proteín Dif a tento sa po aktivácii translokuje s cytoplazmy do jadra a tam sa viaže na miesto podobné κB v promotore pre gén kódujúci mikrobiálny peptid cekropín. To viedlo k hypotézam, že Toll sa u drozofíl angažuje v obrane proti patogénom. Čo bolo definitívne v potvrdené v roku 1996, keď Bruno Lemaitre dokázal, že po mikrobiálnej infekcii bola spustená Toll signalizačná kaskáda a táto priamo aktivovala produkciu antimikrobiálneho peptidu drozomycín- za túto prácu bol neskôr odmenený aj Nobelovou cenou. V roku 1998 bolo definitívne popísaných 5 Toll homológov u cicavcov, spolu s ich významom pre prirodzenú imunitu, ktoré boli pomenované Toll-podobné receptory (TLR).

Funkcia

TLR sú základné molekuly, ktoré organizmom dovoľujú rozoznať nebezpečenstvo v podobe patogénnej hrozby, alebo endogénneho narušenia homeostázy. Medzi ich najvýznamnejšie funkcie zaraďujeme rozpoznávanie rozdielov medzi „self-vlastnými“ a „non-self- cudzími“ (patogénnymi) agensami. Ďalšiu významnú úlohu zohrávajú z hľadiska iniciácie fagocytózy a následnej okamžitej odpovede sprostredkovanej prirodzenou imunitou. Hrajú významnú úlohu pri aktivácii antigén prezentujúcich buniek, akými sú napríklad dendritrické bunky, a tým umožňujú premostenie medzi prirodzenou a adaptívnou imunitou. Stimulujú navodenie a reguláciu produkcie prozápalových cytokínov, ako aj interferónov a antimikrobiálnych peptidov. V neposlednom rade pomáhajú pri apoptóze infikovaných buniek a podieľajú sa aj na iniciácii opráv poškodených tkanív. Na druhej strane toll-like receptory môžu tiež predstavovať rizikové faktory pre patogenézu niektorých onemocnení a alergických onemocnení, čím sa stávajú aj potenciálnym cieľom pre terapeutické intervencie. Funkcie toll-like receptorov sú zabezpečené cez dva hlavné typy signalizačných kaskád: MyD88-závislú kaskádu a TRIF-závislú kaskádu, ktoré kulminujú v aktiváciu NF-κB dráhy, IRF dráhy a MAP kinázovej dráhy. Typ naviazaného ligandu a typ TLR, ktorý sa aktivuje rozhoduje o tom, ktorá signalizačná kaskáda bude spustená a aké produkty vzniknú.

Štruktúra

Štruktúrne sa toll-like receptory radia medzi transmembránové proteíny typu I a skladajú sa z troch domén: LRR doména ktorá sa skladá z mnohých na leucín bohatých repetícii (z anglického leucine rich repeats) a je orientovaná buď extracelulárne alebo smerom do lumen endoplazmatické retikula, kde je zodpovedná za rozoznávanie molekulárnych vzorov – ligandov, transmembránovej domény tvorenej jedným alfa-helixom, ktorá zodpovedá za lokalizáciu na bunke a cytoplazmovej TIR (Toll/IL1 – spoločná doména pre TLR aj interleukín 1) domény, ktorá v cytoplazme interaguje s ďalšími adaptorovými molekulami a iniciuje signalizáciu.

Ligandy

Ligandami pre toll-like receptory môže byť široká paleta mikrobiálnych produktov, ktoré sú pre patogénne organizmy esenciálne, avšak zároveň sa nevyskytujú u zdravých cicavčích buniek, alebo sa rovnako môže jednať o molekuly pochádzajúce z vlastného organizmu, ktorých expresia alebo neobvyklá lokalizácia indikuje bunkové poškodenie. Môžeme ich teda rozdeliť na ligandy endogénneho pôvodu a exogénneho pôvodu.

Exogénne

Molekulárne vzory mikrobiálnych štruktúr (PAMP), kam patria bakteriálne produkty (LPS, peptidoglykán, flagelín), kvasinkové produkty (zymosan) alebo vírusová RNA/DNA.

Endogénne

Molekulárne vzory asociované s poškodením vlastných buniek (DAMP), ktoré vznikajú narušením bunkových stien vlastných buniek alebo nefyziologickou bunkovou smrťou. Patria sem zložky extacelulárnej matrix, zložky plazmatickej membrány, proteíny z jadra a cytoplazmy buniek, ktoré sa za normálnych okolností nenachádzajú mimo buniek, ako HMGB proteíny, HSP proteíny alebo čiastočky poškodených bunkových organel (mitochondriálna DNA).

Signalizačné dráhy toll-like receptorov

Po naviazaní a rozoznaní konkrétneho ligandu je základnou úlohou toll- like receptorov spustiť vnútrobunkovú signalizačnú kaskádu, ktorá vyústi v aktiváciu robustnej antimikrobiálnej a prozápalovej reakcie v mieste infekcie alebo iného potenciálneho ohrozenia. Ligandom aktivované TLR sa priamo viažu na svoje adaptory vo vnútrobunkovom prostredí cez svoju TIR doménu. Medzi kľúčové adaptory radíme MyD88 (myeloid differentiation primary response 88) a TRIF ( TIR domain containing adaptor inducing interferon beta) ako aj MyD88 podobný adaptor ( MAL/TIRAP) a TRIF podobný adaptor (TRAM).  Ich aktiváciou dochádza k maximalizovaniu odpovede sprostredkovanej TLR a zároveň konkrétny aktivovaný adaptor je kľúčový pre smerovanie imunitnej odpovede. Signál vedený cez MyD88 závislú alebo TRIF závislú dráhu (alebo sú obe aktivované súčasne) následne aktivuje množstvo ďalších adaptorových molekúl plniacich rôzne funkcie, ako sú kinázová aktivita, lešenie (scaffold) na podklade, ktorého sa odohrávajú reakcie molekúl, alebo ako regulátory kaskády.

MyD88 a MAL dráha

MyD88 závislá dráha je prvá signálna dráha, ktorá bola objavená, ako výsledok aktivácie TLR a uplatňuje sa u všetkých známych TLR okrem TLR 3.  Molekula MyD88 sa skladá z troch častí: N terminálnej „domény smrti“ (death domain), strednej časti a C terminálnej TIR domény. Cez TIR doménu je MyD88 schopná reakcie s TIR doménou prítomnou na cytoplazmatickej časti TLR (TIR- TIR interakcia) a vytvorením tejto interakcie aktivuje kinázu IRAK4 (interleukin1 receptor asociated kinase).MAL adaptor interaguje s vnútornou stranou cytoplazmatickej membrány a pomáha pri lokalizácii MyD88, aby mohla správne reagovať s TLR. IRAK4 je aktivovaná prostredníctvom homotypickej interakcie cez doménu smrti (proteín- proteín interakcia).  Aktivácia IRAK4 pritiahne a aktivuje IRAK1 a IRAK2, ktoré sa spoločne podieľajú na vytvorení takzvaného Mydozómového komplexu. Výsledkom tvorby spomínaného komplexu je aktivácie PI3K-Akt a MAPK adaptorov a tie sú spoločne zodpovedné za translokáciu transkripčného faktora C z cytoplazmy do jadra bunky. Výsledkom aktivity NF-κB je transkripcia NF-κB a AP1 závislých cytokínov ako sú TNF (tumor nekrotizujúci faktor) a IL6.

TRIF a TRAM dráha

TRIF je rovnako ako MyD88 adaptor vyznačujúci sa TIR doménou, zodpovedný za TLR signalizáciu MyD88 nezávislým spôsobom. Po aktivácii TRIF následne kaskáda pokračuje na adaptoroch TRAF6, TRAF3 a kináze RIP, ktoré spolu aktivujú TAK1 čo vedie k následnej aktivácii regulačného faktoru interferónov, konkrétne (IRF3). IRF3 je schopný sa po aktivácie translokovať z cytoplazmy do jadra, kde vystupuje ako transkripčný faktor a štartuje produkciu interferónov spolu s TNF. TNF je dôležitý pri navodení sekundárnej oneskorenej produkcie NF-κB. TRAM doména sa vyskutuje na membráne endozómu, kde podobným spôsobom ako MAL pomáha pri TLR- TRIF interakcii.

TLR3

Toll like receptor 3 je široko rozšírený medzi rôznymi skupinami stavovcov, kde bola jeho prítomnosť dokázaná na bunkách imunitného ako aj neimunitného pôvodu. Ako taký zohráva kľúčovú úlohu pri ochrane organizmu pred vírusmi. Jeho ligandom je dvojvláknová RNA (dsRNA), ktorá je považovaná za dôležitý medzičlánok vo vnútrobunkovom delení a maturácii množstva vírusov. Existujú však dôkazy, že aj RNA nevírusového pôvodu pochádzajúca z endogénneho priestoru (endogénna mRNA) alebo z vnútra nekrotizujúcich buniek je rovnako schopná aktivovať TLR3 a jeho signalizačnú kaskádu. V nestimulovaných bunkách sa TLR3 vyskytuje primárne v endplazmatickom retikule odkiaľ sa po stimulácii bunky dsRNA presúva do endozómu, aby mohol špecificky naviazať svoj ligand. Tento presun je primárne závislý na zmene pH endozómu, dimerizácii TLR3 a jeho reakcii s proteínom UNC- 93B vyskytujúcim sa na endozomálnej membráne. Kritickým krokom pri aktivácii signalizácie cez TLR3 je jeho tyrozínová fosforylácia, ktorá vyústi do aktivácie adaptorového proteínu TRIF. Potreba endozomálnej fosforylácie nie je potrebná v prípade ostatných TLR vyskytujúcich sa v endozóme (TLR7, TLR9) a je teda špecifická pre TLR3. Hlavným dôvodom pre tento rozdiel v aktivácii sú rozdielne signalizačné dráhy, kým TLR7 a 9 signalizujú cez MyD88 závislú, TRIF nezávislú dráhu, TLR3 signalizuje výlučne cez TRIF.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Toll-like receptor