CC BY
714
УДК 511.11
РОЛЬ Toll-ПОДОБНЫХ РЕЦЕПТОРОВ В ПАТОГЕНЕЗЕ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
ЧЕЛОВЕКА
© Ковальчук Л.В., **Свитич О.А., Ганковская Л.В., Мироншиченкова А.М., Ганковский В.А. Кафедра иммунологии медико-биологического факультета,
* к*
центр персонализированной медицины Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н.И. Пирогова,
Москва;
** — ^ лаборатория молекулярной иммунологии НИИ вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова РАМН, Москва E-mail: [email protected]
Данный обзор ставит целью рассмотрение полиморфизма генов, кодирующих основные Toll-подобные рецепторы, в контексте их влияния на резистентность организма к различным инфекционным заболеваниям бактериальной и вирусной природы. Наряду со сведениями о системе врожденного иммунитета вообще и Toll-подобных рецепторах, в частности, представлены и систематизированы уже имеющиеся данные об однонуклеотидных полиморфизмах, приводящих к нарушению распознавания патогенов и, таким образом, снижению восприимчивости организма к действию инфекционных агентов.
Ключевые слова: врожденный иммунитет, Toll-подобный рецептор, полиморфный маркер.
THE ROLE OF Toll-LIKE RECEPTORS IN PATHOGENESIS OF HUMAN INFECTION Kovalchuk L.V., Svitich O.A., Gankovskaya L.V., Miroshnichenkova A.M., Gankovskii V.A.
Department of Immunology of Medicobiological Faculty,
Scientific Department of Personal Medicine of N.I. Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow;
I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow
This review aims to consider polymorphisms of the genes coding the main Toll-like receptors, in a context of their influence on an organism resistance to various infectious diseases of the bacterial and virus nature. In the present work, along with the generalized data on the congenital immunity and, in particular, on Toll-like receptors, we have analyzed both available data on the SNPs leading to the disturbance of recognizing infectious agents and, thus, to decreasing in an organism susceptibility to infectious agents.
Keywords: innate immunity, Toll-like receptor, polymorphism, SNP.
Врожденный и приобретенный иммунитет -это две взаимодействующие части интегрированной системы, обеспечивающей развитие иммунного ответа на генетически чужеродные субстанции. Одним из наиболее важных обобщений в иммунологии конца ХХ и начала XXI века стало создание учения о врожденном иммунитете. Врожденный иммунитет рассматривают как наследственно закрепленную систему защиты многоклеточных организмов от любых патогенных и условно патогенных микроорганизмов, а также эндогенных продуктов тканевой деструкции. Врожденный иммунитет обеспечивает распознавание и элиминацию патогенов в первые несколько минут, часов после их вторжения, когда механизмы адаптивного иммунитета еще отсутствуют [2, 8,5].
Функция системы врожденного иммунитета реализуется через разнообразные клеточные элементы (макрофаги, дендритные клетки, нейтро-филы, тучные клетки, эозинофилы, базофилы,
естественные киллеры и др.) и гуморальные факторы (естественные антитела, цитокины, комплемент, белки острой фазы, катионные противомик-робные пептиды, лизоцим и др.) [3].
Распознавание патогенов клетками системы врожденного иммунитета реализуется через многочисленные рецепторные структуры, такие как рецепторы-мусорщики, маннозные рецепторы, рецепторы комплемента, лектиновые рецепторы и др. Особую группу рецепторов врожденного иммунитета составляют так называемые «паттерн-распознающие рецепторы» (ПРР) (от англ. pattern-recognition receptor). Они распознают консервативные, общие для многих типов микроорганизмов структуры - «патоген-ассоциированные молекулярные паттерны» (ПАМП) [2, 8, 19].
В настоящее время интенсивно изучаются структура и функция рецепторов врожденного иммунитета, таких как: Toll-подобные рецепторы (TLR), NOD-подобные рецепторы, RIG-подобные рецепторы и др. TLR впервые обнаружены у дро-
зофилы как продукт генов, ответственных за противогрибковую защиту. TLR у человека имеют сходную структуру и функцию [6]. Рецепторы этого семейства широко представлены на различных клетках иммунной системы (моноцитах, дендритных клетках, лейкоцитах и др.), а также на многих клетках организма (фибробластах, эндотелии, эпителии, кардиомиоцитах и др.). Все большее количество исследований подтверждает важную роль TLRs в патогенезе различных заболеваний человека - в моногенных первичных иммунодефицитах, инфекциях, аллергопатологии, атеросклерозе, острых деструктивных заболеваниях, аутоиммунных процессах и др. [2, 8].
TLRs - это семейство трансмембранных гликопротеинов, содержащих два домена. Внеклеточный домен содержит варьирующее число богатых лейцином повторяющихся мотивов (LRRs), которые обеспечивают прямое взаимодействие рецептора с лигандами микроорганизмов или их продуктов. Третичная структура этого домена определяет специфичность связывания TLR с определенными ПАМП. Внутриклеточный домен TLR сходен с цитоплазматическим доменом рецептора интерлейкина 1 (ИЛ-1), в связи с этим его называют TIR-домен (от. англ. Toll/interleukin-1 receptor domain). Этот домен участвует в трансдукции сигнала от активированного TLR внутрь клетки.
Каждый из TLRs распознает определенный набор микробных продуктов, что позволяет организму обнаружить большую часть видов патогенов, которыми он может быть инфицирован. На сегодняшний день у человека выявлено 10 TLRs (TLR 1-10). TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6 и TLR10 представлены на клеточной мембране и распознают в основном бактериальные компоненты. Рецепторы другой подгруппы семейства TLRs (TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9) специфичны к нуклеиновым кислотам бактериального и вирусного происхождения. В частности, TLR3 распознает двухцепочечную РНК; TLR7 и TLR8 активируются одноцепочечными РНК; TLR7 и TLR8 участвуют в распознавании мотивов, обогащенных гуанином и урацилом. Взаимодействие TLR7 с одноцепочечной РНК вируса гриппа или ВИЧ приводит к усилению синтеза интерферона а (ИФНа) и провоспалительных цитокинов. TLR9 взаимодействует с неметилированными повторами CpG ДНК вирусов и бактерий. Интересно, что TLR3, TLR7, TLR8 и TLR9 локализуются во внутриклеточных мембранных компартментах -эндосомах, что изолирует эти рецепторы от возможного контакта с эндогенными нуклеиновыми кислотами [4, 5].
Следует отметить, что TLR распознают не только структуры микробных клеток и вирионов, но и эндогенные молекулы, вырабатываемые при повреждениях ткани и воспалении. Клетки, несущие TLR4, могут активироваться фибронектином, имеющим дополнительный домен А. Белки теплового шока №р70 и №р60 вызывают повышенную выработку провоспалительных цитокинов при действии на TLR4 и TLR2 [19].
Биологический смысл активации механизмов врожденного иммунитета эндогенными молекулами заключается в том, что иммунная система адекватно реагирует на сигналы иммунной опасности. Подобный механизм обеспечивает своевременное выведение из организма модифицированных эндогенных молекул и поддержание антигенного гомеостаза. Гиперактивация TLRs при действии эндогенных лигандов может приводить к развитию чрезмерного воспалительного ответа, сопровождающегося повреждением тканей. Это можно рассматривать как один из основных механизмов иммунопатогенеза различных заболеваний [4, 7].
При активации TLR вызывают воспалительный сигнальный каскад через цитоплазматические TIR-домены с участием адаптерных белков, а именно фактора миелоидной дифференцировки 88 (MyD88), TIRAP, TRIF и TRAM. Обычно TLRs, за исключением TLR3, используется MyD88-зависимый путь, при котором последовательно активируется ИЛ-1Р-ассоциированный киназный комплекс (IRAK), включающий в себя 4 субъединицы - 2 активные киназы (IRAK-1 и IRAK-4) и 2 некаталитические субъединицы (IRAK-2 и IRAK-M). Затем IRAK-4 фосфорили-рует IRAK-1. Фосфорилированный IRAK-1 связывается с TNFR-ассоциированным фактором 6 (TRAF6) и одновременно активирует ядерный фактор кВ (NF-кВ) и митоген-активируемые про-теинкиназы (MAPKs). В случае с NF-кВ белок остается в цитоплазме, связываясь с ингибитором NF-кВ (IkB). Фосфорилирование 1кВ 1кВ-киназным комплексом (IKK), который включает в себя важный модулятор NF-кВ (NEMO), приводит к разрушению ингибитора, что делает возможным перемещение NF-кВ в ядро. Одновременная активация и NF-кВ, и MAPKs индуцирует транскрипцию различных воспалительных генов, в том числе фактора некроза опухоли, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и ИЛ-12. TLR2 и TRL4 могут запустить этот путь через TIR-доменсодержащий адаптерный белок (TIRAP). С другой стороны, TLR3 действует через MyD88-независимый путь, где используется TIR-домен содержащий адаптерный белок (TRIF), который индуцирует ИФН-(3. Активированный TRIF в конечном итоге акти-
вирует транскрипционные факторы: регуляторный фактор ИФН-З (ШРЗ) и NF-кВ. Эти два фактора транскрипции взаимно усиливают действие друг друга и активируют транскрипцию генов ИФН 1-го типа - ИФН-а, ИФН-р и ИФН-л. TLR4 может также запускать MyD88-независимый путь, связываясь с TRAM, который сшивает TLR4 и TRIF. TLR7, TLR8 и TLR9 могут также запускать синтез ИФН 1-го типа через MyD88-зависимый путь при активации IRF7 и IRF3 (рис. 1) [2, 8].
В последние годы был разработан комплексный подход к оценке системы TLR, включающий определение рецепторов TLR, сигнальных и эф-фекторных молекул (цитокинов и противомик-
робных пептидов) [2]. Каждый из компонентов системы TLR может быть изучен на различных уровнях - структуры гена, экспрессии мРНК, синтеза полноценной белковой молекулы, функции (эффекта) [1]. Методические подходы к анализу системы TLRs представлены в табл. 1.
Первый уровень исследования подразумевает поиск ассоциации между единичными нуклеотидными заменами (SNP - single nucleotide polymorphism) в генах TLRs и патологиями инфекционного генеза.
В последние годы появились данные, свидетельствующие о том, что полиморфизм генов TLR связан с инфекционными, аллергическими,
Рис. 1. Сигнальные пути TLRs.
Тёмным цветом отмечены генетические дефекты сигнальных молекул.
Таблица 1
Методические подходы к оценке системы TLRs
Уровень исследования Предмет исследования Метод исследования
Геномный SNP (single nucleotide polymorphism) Полимеразная цепная реакция (ПЦР), рестрикционный анализ
Экспрессии гена Количественное изменение уровня экспрессии гена Обратная транскрипция, ПЦР-РВ
Синтеза белка Продукция белков в жидкостях Иммуноферментный анализ
Функциональный Активация выработки эффекторных Эксперименты с лигандами на
молекул при действии лигандов
моделях in vitro и in vivo
Таблица 2
Ассоциация некоторых заболеваний с полиморфизмом TLRs
Ген Полиморфизм Заболевание
TLR1 T1805G Проказа (M. leprae) Илеит
G239 C (Arg80Thr) Инвазивный аспергиллез
TLR2 Arg753Gln Урогенитальные инфекционные заболевания Инфицирование цитомегаловирусом
T597C Развитие инфекционного заболевания, вызванного M. tuberculosis
A-15607G Генитальный герпес
TLR3 A829C Назофарингеальная карцинома
TLR4 Asp299Gly Thr399Ile Пневмония, вызванная Streptococcus pneumoniae, септический шок Сепсис (Candida) Спондилоартрит
TLR5 Arg392Stop Болезнь Крона Системная красная волчанка
TLR6 Ser249Pro Инвазивный аспергиллез Воспалительные заболевания кишечника Астма, атопический дерматит
TLR7 T120G Воспалительные процессы у больных с инфекцией, вызванной вирусом гепатита С
TLR8 A1G (rs3764880) ВИЧ-инфекция
TLR9 T-1237C Рассеянный склероз Воспалительные заболевания кишечника
G2848A Системная красная волчанка
TLR10 G1031A, A2322G Астма
аутоиммунными заболеваниями. В табл. 2 показана связь определенных заболеваний с полиморфизмом генов TLR [4, 7, 19].
Среди полиморфизмов, влияющих на структуру и функцию TLR, выделяют SNP в областях, отвечающих за формирование внешнего распознающего LRR - домена и внутреннего TIR — домена, изменение структуры и функции которого может приводить к нарушению проведения сигнала от активированного рецептора внутрь клетки. SNPs в гене TLR2 могут приводить к изменению восприимчивости к различным инфекционным агентам. Полиморфный маркер Arg677Trp располагается в области, кодирующей TIR-домен, с которого происходит передача сигнала с рецептора. При нарушении функции TIR-домена изменяются его взаимодействие с молекулой MyD88, вследствие чего происходит снижение продукции цитокинов (ИЛ-2 и других цитокинов). Полиморфизм Arg677Trp TLR2 связан с лепроматозной лепрой [9] и легочным туберкулезом [10]. Следующий хорошо изученный полиморфизм TLR2 Arg753Gln (rs5743708) ассоциирован сразу с несколькими патологиями: с
развитием стафилококкового сепсиса и переднего увеита [12], с развитием преждевременных родов [15] и др. (рис.2А). Также данный полиморфизм служит причиной повышенной восприимчивости к микоплазменной и стафилококковой инфекциям, и склонности к развитию сепсиса, обусловленному грам-положительными бактериями [17]. SNP Arg32Gln в гене TLR2 ассоциируется с рецидивирующими инфекциями респираторного тракта у детей [21].
TLR4 является рецептором, SNP которого также связаны с риском развития воспалительных процессов. Показано, что SNP Asp299Gly, локализованный в третьем экзоне гена TLR4, связан с SNP Thr399Ile. Оба описанных SNPs ассоциированы с восприимчивостью к некоторым инфекционным болезням: сепсис, атеросклероз, астма, малярия и также Helicobacter pylori инфекция, которая является причиной рака желудка. SNPs приводят к нарушению структуры паттерн-распознающего домена TLR4 что может приводить к снижению распознавания ЛПС. Asp299Gly и Thr399Ile тесно связаны с развитием болезни Крона и язвенным колитом [18] (рис. 2Б). Кроме того, полиморфизм TLR4 Asp299Gly влияет на
устойчивость организма к патогенному действию грамотрицательных бактерий, а также на тяжесть течения атопических заболеваний, снижение гиперреактивности верхних дыхательных путей и риск развития атеросклероза [14, 22]. Прочие по-лиморфизимы гена TLR4 (ге107599З0, rs1927914 и rs1927911, rs 11536889, ге704595З и rs70S7117) являются «протективными» и ассоциированы со сниженной чувствительностью к инфекциям мочеполовых путей [16], склонностью к развитию глаукомы [15] и др.
Некоторые исследования показали положительную корреляцию между SNPs в гене TLR9 и болезнями. Следует отметить, что ген TLR9 локализуется в районе генов-супрессоров опухолевого роста на коротком плече З хромосомы человека. Этот район ассоциирован с раком груди, раком почки и другими. Полиморфизмы -1486 C/T и 1174 A/G связываются с риском возникновения язвенного колита [2З], а замены З801 A/G и 1509 T/C ассоциированы с повышенным риском ВИЧ-инфицирования плода от ВИЧ-положительной матери [13]. Полиморфизмы гена TLR9 G1174A,
G1635A, A2848G ассоциированы с системной красной волчанкой, развитием инфекции, вызванной HIV-1 и другими заболеваниями (рис. 2В). Вышеперечисленные полиморфизмы располагаются как в LRR-домене TLRs, распознающим патоген, так и в TIR-домене, участвующем в проведении сигнала в клетке. Сравнительный анализ частоты аллелей и генотипов полиморфного маркера A2848G гена TLR9 выявил, что аллель А и генотип АА являлись протектив-ными в случае преждевременных родов инфекционного генеза, внутриутробного инфицирования плода при этом не происходило [2].
В данном направлении давно ведутся работы по выявлению генетических маркеров в генах эффекторных молекул врожденного иммунитета. Так, большая часть посвящена полиморфизму цитокинов, но в последние годы стали развиваться исследования по поиску ассоциаций SNP в генах противомикробных пептидов (дефенсинов) с патологическими состояниями на уровне слизистых оболочек, в том числе при заболеваниях
Рис. 2. Некоторые SNP в генах TLR2 (А), TLR4^) и TLR9^), ассоциированные с инфекционными и
другими заболеваниями.
ЛОР-органов. Одной из первых работ является поиск ассоциации полиморфных маркеров, локализованных в 5-нетранслируемой области гена DEFB1 с гипертрофией аденоидных вегетаций. Показано, что только генотипы GG(-20) и GG(-44) в 5-нетранслируемой области гена DEFB1 ассоциированы с риском развития гипертрофии аденоидных вегетаций как осложненных аллергическими заболевания, так и рецидивирующих. Выявлено, что аллель G(-52) является маркером рецидивирования аденоидных вегетаций [1].
Возрастает количество статей, подтверждающих роль сигнальных путей TLRs в заболеваниях человека. Описаны новые первичные иммунодефициты у больных с различными инфекционными заболеваниями, которые прежде рассматривались как заболевания необъяснимой идиопатиче-ской этиологии. В 2003 г. охарактеризованы первичные иммунодефициты с нарушением TLR-сигнальных путей, вызванные дефектами важной сигнальной молекулы IRAK-4, связанной с активацией всех TLRs (за исключением TLR3). Дефицит IRAK-4 у человека - это аутосомно-рецессивное заболевание, для которого характерно развитие тяжелых гнойных бактериальных инфекций (менингита, гайморита, сепсиса, артрита и др.), 40% детей погибают в возрасте до 8 лет, позднее происходит компенсация за счет механизмов адаптивного иммунитета. Дефект молекулы MyD88 имеет проявления, сходные с дефектом IRAK-4. У больных отмечается предрасположенность к гнойным бактериальным инфекциям [2, 7, 24].
В 2006 и 2007 гг. выявлены два новых генетических дефекта: аутосомно-рецессивный дефицит белка эндоплазматического ретикулума UNC93B1, важного для передачи сигналов с участием TLR3, -7, -8, -9, вовлеченных в ответ на вирусную инфекцию, и аутосомно-доминантный дефицит TLR3. Эти мутации предрасполагали к появлению изолированного герпетического энцефалита у пациентов. Клинически все пациенты с дефицитом UNC93B1 или TLR3 казались здоровыми без видимого иммунодефицита и без повышенной восприимчивости к другим инфекционным агентам [24].
Особый интерес представляет создание новых лекарственных препаратов, воздействующих на систему Toll-подобных рецепторов. Подавление активности этих рецепторов с помощью лекарственных препаратов является новым направлением в лечении аллергии, аутоиммунной патологии, воспаления. Однако, несмотря на то, что методы лечения, основанные на регуляции активно-152
сти TLR, имеют огромный потенциал и предполагают многообещающие результаты, требуется проведение дальнейших исследований, прежде чем такие препараты будут применяться в общеклинической практике [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ганковская О.А., Бахарева И.В., Ганковская Л.В. и др. Ассоциация полиморфных маркеров G(-20)A, C(-44)G и G(-52)A гена DEFB1 с развитием преждевременных родов и внутриутробным инфицированием плода // Российский иммунологический журнал. - 2011. - № 1. - С. 26-33.
2. Ковальчук Л.В., Ганковская Л.В., Мешкова Р.Я. Клиническая иммунология и аллергология с основами общей иммунологии. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. -234 с.
3. Кокряков В.Н. Очерки о врожденном иммунитете // Наука. - 2006. - № 261. - С.273.
4. Макаров О.В., Ковальчук Л.В., Ганковская Л.В и др. Невынашивание беременности, инфекция, врожденный иммунитет. - М.: ГЭОТАР-Медиа,
2007. - 196 с.
5. Меджитов Р. Врожденный иммунитет // Казанский мед. журн. - 2004. - № 3. - С. 161-169.
6. Свитич О.А., Ганковская Л.В., Рахманова И.В. и др. Ассоциация полиморфных маркеров, локализованных в 5 -нетранслируемой области гена Р-дефенсина DEFB1 с гипертрофией аденоидных вегетаций. // Вестник РГМУ. - 2011. -№ 3. -С. 23-45.
7. Толстопятова М.А., Буслаева Г.А., Козлов И.Г. Роль рецепторов врожденного иммунитета в развитии инфекционной патологии у новорожденных детей // Педиатрия. - 2009. - № 1. - С. 115-120.
8. Ярилин А.А. Иммунология. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 562 с.
9. Akira S., Takeda K. Toll-like receptors in innate immunity // Immunology. - 2005. - N17. - P. 1-14.
10. Bochud P.Y., Hawn T.R., Siddiqui M.R. et al. Toll-like receptor 2 (TLR2) polymorphisms are associated with reversal reaction in leprosy // J Infect Dis. - 2008. -N 197. - P. 253-261.
11. Chang J.H., Hampartzoumian T., Everett B. et al. Changes in Toll-like receptor (TLR)-2 and TLR4 expression and function but not polymorphisms are associated with acute anterior uveitis // Invest Ophthalmol Vis Sci. - 2007. - N 48. - P. 1711-1717.
12. Chen Y.C., Hsiao C.C., Chen C.J. et al. Toll-like receptor 2 gene polymorphisms, pulmonary tuberculosis, and natural killer cell counts // BMC Med Genet. -2010. - N 11. - P. 17.
13. Fuse K., Katakura K., Sakamoto N. et al. Toll-like receptor 9 gene mutations and polymorphisms in Japanese ulcerative colitis patients // Gastroenterol. -2010. - N 46. - P. 5815-5821.
14. Gargo A., Tominac M., Krsuloviv-Hresic V. et al. In-creassed Toll-like receptors 4 expression in infants
with respiratory sincytical virus bronchiolitis // J. Clin. Exp. Immunol. - 2004. - N 132. - P. 267-272.
15. Hawn T.R., Scholes D., Li S.S. et al. Toll-like receptor polymorphisms and susceptibility to urinary tract infections in adult women // PLoS One. - 2009. - N 6. -P. 5990.
16. Kiechl S., Reindl M., Wiedermann C.J. et al. TLR4 polymorphism and atherogenesis // N. Engl. J. Med. -2002. - N 347. - P. 185-192.
17. Krediet T.G., Wiertsema S.P., VossersM.J. et al. Tolllike receptors 2 polymorphism is associated with preterm birth // Pediatr. - 2007. - N 62. - P. 474-476.
18. Kutukculer N., Yeniay B.S., Aksu G. et al. Arg735Gln polymorphism of the human toll-like receptor-2 gene in children with reccurent febrile infections // Bio-chem. Genet. - 2007. - N 45. - P. 507-514.
19. Medzhitov R., Janeway C. Innate immuniry // N. Engl. J. Med. - 2000. - N 343. - P. 338-344.11
20. Ricci E., Malacrida S., Zanchetta M. et al. Toll-like receptor 9 polymorphisms influence mother-to-child
transmission of human immunodeficiency virus type 1 // J Transl Med. - 2010. - N 8. - P. 49.
21. Ryu Y.J., Kim E.J., Koh W.J. et al. Toll-like receptor 2 polymorphisms and nontuberculous mycobacterial lung diseases // Clin Vaccine Immunol. - 2006. -N 13. - P. 818-8191.
22. Shen X., Shi R., Zhang H. et al. The Toll-like receptor 4 D299G and T399I polymorphisms are associated with Crohn's disease and ulcerative colitis: a metaanalysis // Digestion. - 2010. - N 81. - P. 69-77.
23. Shibuya E., Meguro A., Ota M. et al. Association of Toll-like receptor 4 gene polymorphisms with normal tension glaucoma // Invest Ophthalmol Vis Sci. -
2008. - N 49. - P. 4453-4457.
24. Qi R., Hoose S., Schreiter J. et al. Secretion of the human Toll-like receptor 3 ectodomain is affected by single nucleotide polymorphisms and regulated by Unc93b1 // J Biol Chem. - 2010. - Vol. 285, N 47. -P. 36635-36644.
