Архитектура молекулы TLR
Toll-подобные рецепторы представляют собой крупные трансмембранные белки, в структуре которых выделяют три ключевых отдела:
- Внеклеточный (LRR-домен). Выполняет функцию «антенны», распознающей чужеродные лиганды. Содержит от 19 до 25 повторяющихся участков, богатых лейцином (Leucine-rich repeats). Пространственно этот домен свернут в форме подковы: ее наружная часть состоит из $\alpha$-спиралей, а внутренняя, непосредственно контактирующая с лигандом — из $\beta$-слоев.
- Трансмембранный участок. Отвечает за закрепление рецептора в липидном бислое и определяет, где именно будет работать рецептор — на клеточной мембране или на мембране внутриклеточных гранул.
- Внутриклеточный (TIR-домен). Сигнальная часть рецептора (Toll/IL-1 receptor and resistance domain). Представляет собой центральный $\beta$-слой, окруженный пятью $\alpha$-спиралями. Отвечает за передачу активационного сигнала внутрь клетки путем взаимодействия с адаптерными молекулами.
Классификация и локализация рецепторов
Расположение TLR в клетке строго зависит от того, какие именно структуры патогена они запрограммированы распознавать.
Поверхностные рецепторы (на клеточной мембране) Сканируют внеклеточное пространство на наличие компонентов клеточных стенок и жгутиков бактерий и грибов.
- TLR-1, TLR-2, TLR-6: Распознают липидсодержащие структуры. Образуют пары (гетеродимеры) для точного распознавания. Комбинация TLR-1/TLR-2 реагирует на триацил-липопептиды грамположительных бактерий, а TLR-2/TLR-6 — на диацил-липопептиды.
- TLR-4: Специализируется на липополисахариде (ЛПС) грамотрицательных бактерий. Исключение: этот рецептор может присутствовать как на мембране, так и в эндолизосомах.
- TLR-5: Реагирует на флагеллин (белок жгутиков сальмонелл и других подвижных бактерий).
- TLR-11: Распознает профилин уропатогенных штаммов кишечной палочки.
Внутриклеточные рецепторы (в эндосомах/лизосомах) Локализованы на мембранах эндоплазматического ретикулума и перемещаются в фаголизосомы для распознавания чужеродных нуклеиновых кислот.
- TLR-3: Реагирует на двуспиральную вирусную РНК.
- TLR-7 и TLR-8: Распознают односпиральную РНК вирусов.
- TLR-9: Нацелен на бактериальную и вирусную ДНК, богатую неметилированными CpG-тандемами.
Механизм активации: от мономера к комплексу
В состоянии покоя рецепторы существуют в виде одиночных молекул — мономеров. Как только лиганд связывается с рецептором, происходит димеризация. Чаще всего образуются гомодимеры (две одинаковые молекулы, например, у TLR-3).
Для успешного захвата мишени рецепторам часто требуются помощники (корецепторы). Самый яркий пример — многоэтапное распознавание бактериального ЛПС рецептором TLR-4:
- ЛПС высвобождается из стенки бактерии.
- В крови он связывается с сывороточным белком LBP.
- Этот комплекс прикрепляется к мембранной молекуле CD14.
- Компонент ЛПС (липид А) погружается в гидрофобную часть молекулы MD-2.
- И только после этого молекула MD-2 (вместе с ЛПС) идеально «встает» во внутреннюю подкову рецептора TLR-4.
Таким образом, сам TLR-4 распознает не напрямую бактериальный токсин, а комплексную структуру вместе с MD-2.
Почему нуклеиновокислые TLR спрятаны внутри?
Рецепторы TLR-3, 7, 8 и 9 направлены своей распознающей частью внутрь цитоплазматических гранул. Когда клетка поглощает патоген путем эндоцитоза, рецепторы мобилизуются из эндоплазматического ретикулума в фаголизосому.
Внутри фаголизосомы микроорганизмы разрушаются, и их генетический материал становится доступен для TLR. Такая скрытая локализация — это защитный механизм. Он предотвращает контакт рецепторов с собственными нуклеиновыми кислотами организма, защищая нас от аутоиммунных реакций. Собственные ДНК и РНК могут попасть в фаголизосомы лишь при массированном патологическом апоптозе клеток.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие адаптерные белки взаимодействуют с внутриклеточным TIR-доменом Toll-подобных рецепторов?
С внутриклеточным TIR-доменом Toll-подобных рецепторов взаимодействуют несколько специализированных адаптерных белков, обеспечивающих передачу сигнала.
- MyD88 — основной адаптерный белок, используемый всеми рецепторами, кроме TLR-3.
- TIRAP (Mal) — участвует в передаче сигнала совместно с MyD88.
- TRIF — адапторный белок, участвующий в MyD88-независимом пути (используется TLR-3 и TLR-4).
- TRAM — дополнительный адаптер для TLR-4 в MyD88-независимом пути.
- Tollip — входит в комплекс молекул, на которые передается сигнал от TIR-домена.
Какие эндогенные лиганды (DAMP) способны распознавать Toll-подобные рецепторы при повреждении тканей?
При повреждении тканей Toll-подобные рецепторы способны распознавать различные эндогенные лиганды (DAMP), включая алармины и нуклеиновые кислоты.
- Белки теплового шока (HSP20, HSP40, HSP60, HSP70, HSP90, Hsp96) — взаимодействуют с TLR-2 и TLR-4; Hsp96 указан среди эндогенных лигандов TLR-2, а Hsp60 и Hsp70 — TLR-4.
- Белок HMGB-1 — указан среди эндогенных лигандов TLR-4; HMGB-1 также входит в состав упомянутых для TLR-9 хроматинсодержащих иммунокомплексов.
- Компоненты межклеточного матрикса — фибронектин, фибриноген и гиалуроновая кислота указаны среди DAMP, связанных с TLR-4.
- Нуклеиновые кислоты — ауто-РНК и рибонуклеопротеины распознаются TLR-3, TLR-7 и TLR-8; ауто-ДНК, хроматин и хроматинсодержащие иммунокомплексы — TLR-9.
- Другие молекулы — липопротеины указаны среди эндогенных лигандов TLR-2/TLR-1, а β-дефензины — среди эндогенных лигандов TLR-4.
Какие транскрипционные факторы активируются в клетке при передаче сигнала от Toll-подобных рецепторов?
При передаче сигнала от Toll-подобных рецепторов в клетке активируются четыре основных транскрипционных фактора.
- NF-κB — ключевой фактор, отвечающий за экспрессию провоспалительных генов.
- AP-1 (Activation protein 1) — участвует в активации множества генов, отвечающих за развитие воспаления и формирование адаптивного иммунного ответа.
- IRF3 (Interferon-regulatory factor 3) — специфичен преимущественно для индукции генов интерферона β (IFNβ).
- IRF7 (Interferon-responding factor 7) — специфичен преимущественно для индукции генов интерферона α (IFNα).
Также в индукции генов интерферонов типа I при активации через TLR участвует фактор IRF5.
На каких клетках иммунной системы экспрессируются Toll-подобные рецепторы?
Toll-подобные рецепторы экспрессируются на широком спектре клеток иммунной системы, при этом наибольшая экспрессия наблюдается на миелоидных клетках.
- Моноциты и макрофаги — экспрессируют TLR 1–10.
- Дендритные клетки — миелоидные, плазмоцитоидные и лимфоидные субпопуляции несут различные комбинации TLR.
- Гранулоциты — нейтрофилы и эозинофилы.
- Тучные клетки (мастоциты) — несут TLR-2, TLR-3 и TLR-4.
- Лимфоциты — Т-клетки, В-клетки, естественные киллеры (NK-клетки) и естественные регуляторные Т-клетки.
Какие цитокины синтезируются миелоидными клетками в результате активации Toll-подобных рецепторов?
В результате активации Toll-подобных рецепторов миелоидные клетки синтезируют различные группы цитокинов.
- Провоспалительные цитокины — фактор некроза опухоли α (TNFα), интерлейкин-1 (IL-1, IL-1β), интерлейкин-6 (IL-6).
- Интерлейкин-12 (IL-12) — связующее звено между врожденным и адаптивным иммунитетом, вырабатывается макрофагами и дендритными клетками.
- Интерфероны I типа — интерферон α (IFNα) и интерферон β (IFNβ), синтезируемые при активации внутриклеточных TLR (например, плазмоцитоидными дендритными клетками).
- Хемокины — их синтез индуцируется прямым действием патогенов через TLR.
Поверхностные TLR (1, 2, 4, 5, 6, 11) «ощупывают» микробы снаружи — стенки и жгутики. Внутриклеточные (3, 7, 8, 9) «читают» генетический код (ДНК и РНК) внутри фаголизосом.
Вопросы с занятий и экзамена
В каком состоянии находятся TLR до встречи с патогеном?
В покоящихся клетках рецепторы представлены неактивными мономерами. Они объединяются в димеры только при связывании с лигандом.
Способен ли TLR-4 самостоятельно распознать ЛПС бактерий?
Нет. Для передачи сигнала требуется мультимолекулярный комплекс: корецепторы CD14 и MD-2. Фактически TLR-4 контактирует с молекулой MD-2, связанной с ЛПС.
Могут ли TLR реагировать на собственные ткани организма?
Да, некоторые рецепторы (например, TLR-2, 4) способны распознавать DAMP — молекулярные «образы опасности» или белки теплового шока, выделяющиеся при повреждении собственных клеток.
Что ещё разобрать по теме
- Изменение профиля экспрессии TLR под влиянием цитокинов
- Строение и функции TIR-домена в передаче сигнала
- Специфика формирования гетеродимеров TLR-1/2 и TLR-2/6
- Scavenger-рецепторы и их роль в элиминации апоптотических клеток
- С-лектиновые рецепторы миелоидных клеток
Разберите тему целиком в курсе «Иммунология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Toll-подобные рецепторы» и ещё 723 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 23 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Врождённый иммунитет»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.