中华急诊医学杂志  2021, Vol. 30 Issue (9): 1161-1164   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2021.09.025
Toll样受体3在呼吸系统疾病中的研究进展
蒋云飞1 , 孙昊2 , 张劲松2 , 王军1     
1. 南京大学医学院附属鼓楼医院急诊医学科 210008;
2. 南京医科大学第一附属医院急诊医学科 210029

Toll样受体(toll-like receptors,TLRs)是一类存在于免疫细胞和非免疫细胞表面的天然模式识别受体(pattern recognition receptors,PRRs),能够启动机体的固有免疫和获得性免疫[1]。TLRs于1984年首次在果蝇体内被发现[2],随后于1997年发现其存在于人体的各个组织内[3],目前可识别的TLRs已达13种(TLR1~TLR13)[4]。Toll样受体3(toll-like receptor-3, TLR3)作为TLRs家族中重要成员之一,能特异性识别相应的配体,如病毒的双链RNA(double-stranded RNA, dsRNA)及多聚肌胞苷酸poly Ⅰ: C[5-6]。起初研究者认为TLR3参与了防御病毒感染,但近年来众多学者发现,TLR3在气道免疫应答、炎症调控、气道重塑、肿瘤发生和转移等方面同样发挥着重要作用。本文将对TLR3基本结构和分布、信号通路以及近些年TLR3在呼吸系统相关疾病中新的研究进展作简要综述。

1 TLR3概述 1.1 TLR3的结构与分布

人类的TLR3属于Ⅰ型跨膜蛋白,由904个氨基酸构成,相对分子质量约为125 000[7]。它主要由胞外区、跨膜区和胞内区三部分构成[8]。其中胞外区由23个亮氨酸(leucine-rich repeats, LRR)重复序列组成马蹄形螺线管状结构,用于识别相应的配体[9];跨膜区含有一个α螺旋结构,起到连接胞外区和胞内区的作用[6];胞内区含有Toll/白介素-1受体(Toll/IL-1 receptor, TIR)结构区,其中TIR胞浆内接头蛋白的相应结构域具有高度同源性[10],该区域主要用途是激活下游的信号通路[11]。TLR3通过胞外区的LRR与病毒的dsRNA或poly Ⅰ: C结合,通过募集接头蛋白至胞内区的TIR区域,从而引起信号通路的级联反应,导致Ⅰ型干扰素的分泌和其他炎性因子的释放[11]。TLR3在人体内分布广泛[12],在脑组织、肺组织、心脏、肝脏、胰腺、小肠、肾脏、胎盘和皮肤等组织中均有表达,其中胰腺和胎盘表达最高。在细胞层面上,TLR3在树突状细胞、自然杀伤细胞、星形细胞、成纤维细胞、内皮细胞等中均有表达,主要表达于细胞膜表面,但在树突状细胞上TLR3主要在内涵体中表达。

1.2 TLR3的信号通路

迄今发现,TLR3介导的信号通路主要分为三条[13]:一条是TLRs家族共有的通路,即依赖转接蛋白髓样细胞分化因子88(myeloid differentiation factor 88, MyD88)途径,因TLR3的TIR区域包含MyD88和TIR结构域衔接蛋白,它们可以通过结合白细胞介素-1受体相关激酶4,激活下游TLR诱导核转录因子(nuclear factor-κappa B, NF-κB),导致TNF-α、IL-1β和IL-6等炎性因子的释放,使机体产生炎症反应;另一条是TLR3和TLR4特有的通路,依赖能诱导产生β干扰素的含TIR结构域的衔接蛋白(TIR-domain-containing adaptor inducing interferon-β, TRIF),即TRIF途径。当TLR3与病毒dsRNA或poly Ⅰ: C结合,TLR3胞内区的TIR区域两个酪氨酸残基,即TRIF和TIR相关接头分子被激活,导致肿瘤坏死因子受体相关因子3的活化,进而使干扰素调节因子3(IFN-regulatory factor 3, IRF3)发生磷酸化,并诱导干扰素-α(interferon-α, IFN-α)和干扰素-β(interferon-β, IFN-β)的表达,从而起到抗病毒作用。另外,TLR3还可以通过FASS相关死亡结构域(Fas-associated death domain, FADD)活化caspase-8信号通路,从而介导细胞凋亡[14]

2 TLR3与呼吸系统疾病 2.1 TLR3与病毒性肺炎

病毒性肺炎(viral pneumonia)是由上呼吸道病毒感染并向下蔓延引起的肺实质炎症。有文献表明[15],当病毒入侵机体,由宿主介导固有性PRRs,包括TLR、NOD样受体(NLRS)、RlG-l样受体(RLRS)和流形胞浆DNA传感器等对病毒进行识别,导致大量炎性介质TNF-α、IL-1β、IL-6和IFNα/β释放。此外,其他固有性PRRs通过控制IL-1家族细胞因子的产生,进而激活急性期反应,招募中性粒细胞和巨噬细胞。Zhang等[16]发现,当小鼠感染甲型H1N1流感病毒后,TLR3、MyD88的表达增高,并激活下游炎性因子(TNF-α、IL-6、IFN-γ、NO)释放,从而导致病毒性肺炎的发生。Kanmani等[17]认为,呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV)是引起毛细支气管炎和肺炎的主要呼吸道病原体。当RSV侵袭机体后通过了TLR3途径激活了固有免疫反应,产生促炎症趋化因子和细胞因子如TNF-α、IL-6、IL-8、巨噬细胞炎性蛋白-1、单核细胞趋化蛋白-1,导致了组织损伤和功能丧失。TLR3作为能够特异性识别RNA病毒的配体,目前已被用于COVID-19研究中。Ojha等[18]针对COVID-19,利用了硅结构生物学和免疫信息学策略来设计一种COVID-19与TLR3受体的分子对接或蛋白质相互作用的疫苗。这为深入研究COVID-19奠定了理论依据。

2.2 TLR3与哮喘

哮喘(asthma)是由多种细胞的炎症浸润,过度黏液的产生和气道平滑肌的增生,导致气流限制为特征的疾病。Papaioannou等[19]认为呼吸道病毒可能使哮喘恶化。当外源性病原体进入人体后可以诱发TLR3配体与胸腺基质淋巴生成素介导的树突状细胞激活和促进辅助性T细胞17分化,产生炎症细胞因子IL-17和IL-25,进而启动瀑布样级联反应的发生。Akbarshahi等[20]通过实验发现,尘螨可通过靶向受体糖基化水平直接影响TLR3信号转导,诱导干扰素应答,使IFN-β、IFN-λ、RIG-I、MDA5、IRF-3和IRF-7表达增加,从而导致小鼠的哮喘发生。另有研究证实,人鼻病毒是哮喘恶化的常见原因之一;当机体受病毒感染后,诱导TLR3及其下游MyD88发生特征性的免疫应答,引起局部喘息介质释放,导致急性哮喘的发生[21]。此外,Yang等[22]研究显示,TLR3基因敲除小鼠其下游TRIF被抑制,小鼠气道炎症反应和气道重塑被阻断,从而避免哮喘的发生。目前对于TLR3在哮喘的发生发展中具体机制尚未完全明确,仍需进一步深入研究。

2.3 TLR3与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是以持续气流受限为特征的慢性支气管炎和(或)肺气肿,其气流受限多呈进行性发展,与气道和肺组织对有害气体或有害颗粒的异常慢性炎症反应有关。有文献认为病毒是COPD加重的常见原因之一[23]。COPD急性加重期患者,肺炎发生的同时病毒也极易入侵机体,激活TLR3的单核-吞噬细胞,诱发吞噬细胞释放炎性因子,导致多种炎症细胞的活化和聚集,引起慢性黏液高分泌状态并破坏肺实质,使肺部感染进一步加重。Chen等[24]通过实验发现,Th1/17细胞因子可以特异性识别COPD患者气道上皮细胞TLR3的poly Ⅰ: C,使促炎细胞因子IL-1表达增加,进而导致COPD的急性发作。Liu等[25]收集了20例COPD急性加重期患者和10例健康志愿者的痰液,应用RT-PCR技术证实COPD急性加重期患者痰液的TLR3和RSV表达增高,并将RSV对A549细胞进行染毒,发现TLR3、IFN-β、IL-6和IRF3表达均升高。说明RSV感染可通过TLR3表达增高诱发患者COPD急性加重。临床上监测患者痰液TLR3表达水平,可能为临床评估和治疗COPD急性加重期提供依据。

2.4 TLR3与急性呼吸窘迫综合征

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是由各种肺内原因和(或)肺外原因引起的,以呼吸急促和顽固性低氧血症为显著特征的临床综合征,因高病死率而倍受众多学者关注。有研究表明,TLR3和TLR4在ARDS发生发展过程中均起重要的作用[26]。TLR3上调依赖于TLR4-MyD88-NFκB信号转导通路,导致机体对细菌和病毒感染敏感性增加,这为治疗急性呼吸窘迫综合征提供一个新的思路。Bakopoulos等[27]通过结扎和穿刺小鼠的盲肠,构建脓毒症ARDS动物模型;实验组小鼠肺内存在嗜中性粒细胞过度浸润,肺功能明显下降,病毒滴度显著增加,病死率明显升高;与对照组相比,实验组小鼠肺组织的TLR3基因和蛋白水平表达明显增高。笔者所在课题组利用百草枯气道给药方式建立小鼠ARDS模型,结果显示实验组小鼠肺组织TLR3和Phospho-NF-κBp65蛋白水平表达明显高于生理盐水对照组,该实验结果提示TLR3可能参与百草枯诱发ARDS疾病的发生发展过程[28]。近期的一项研究表明,COVID-19入侵机体,过度消耗Ⅰ型干扰素使视黄酸储存排空,单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和树突细胞中的TLR3、TLR7、TLR8、TLR9等机体免疫无法发挥防御作用,导致TNF-α和细胞因子过度释放,进而出现脓毒症、全身炎症反应综合征和ARDS[29]。这为COVID-19所致的重症肺炎治疗提供了新的视角。

2.5 TLR3与肺癌

肺癌是起源于支气管黏膜或腺体的肺部原发性恶性肿瘤,其发病率居各类肿瘤之首。有学者认为,肺癌可能是由于局部病毒性或细菌性慢性感染引起的,TLR3可以加速肺癌的进展;通过qPCR和Western blot技术发现人乳头瘤病毒癌蛋白16-E6通过TLR3-SrC信号通路促进A549细胞的增殖和侵袭[30]。但Bianchi等[31]认为,TLR3主要表达在免疫细胞上,可以激活下游信号级联反应,诱导细胞因子和趋化因子的分泌,最终启动机体防御性的免疫反应;同时当TLR3高表达可以激活caspase-3,诱导非小细胞肺癌细胞凋亡,从而抑制肺癌的侵袭和转移。目前对于TLR3在肺癌的发生发展中发挥何种作用尚未完全明确,仍需要进一步深入研究。另有一项临床研究,对194例Ⅰ期非小细胞肺癌患者肿瘤细胞进行TLR3免疫组化检测,结果表明TLR3的表达与PD-1的表达有关,TLR3阳性免疫浸润细胞的患者预后较差,TLR3的分析有助于识别高危的Ⅰ期患者,并为临床辅助治疗提供了一个新的参考指标[32]。有专家学者已将TLR3激动剂用于恶性肿瘤靶向治疗[33],目前此类研究已经成为肿瘤领域一个新的研究热点。

2.6 TLR3与其他呼吸系统疾病

TLR3与肺结核、肺纤维化、肺缺血-再灌注等其他呼吸系统疾病同样存在着密切关系。Mvubu等[34]发现结核分枝杆菌F28、F15/LAM4/KZn菌株诱导A549细胞48 h后出现TLR3基因表达升高,进一步释放IL-6、IFN-γ、TNF-α和G-CSF,引起炎症级联反应的发生。同样,Vu等[12]通过实验证明TLR3在结核分枝杆菌的免疫应答过程中是通过诱导IL-10从而上调抗炎机制。在肺纤维化方面,Richeldi等[35]认为TLR3功能缺陷也是特发性肺纤维化发生的一个高危因素。Cooke等[36]发现TLR3基因上存在Leu412Phe(R3 IAl2F,rs3775291)功能性的单核苷酸多态性位点,该位点可能导致IFN-β的产生减少,减少成纤维细胞凋亡,加速了肺纤维化进程,这些研究均为肺纤维化提供了新的方向。另外,张喜洋等[37]从TLR3与线粒体细胞凋亡方面的研究,将基因敲除技术应用于肺缺血-再灌注小鼠模型中,发现与野生型小鼠相比,TLR3-/-组小鼠细胞凋亡指数明显降低,线粒体转录因子A和琥珀酸脱氢酶的蛋白含量和mRNA表达量明显增加;结果表明TLR3-/-可通过上调线粒体转录因子A和琥珀酸脱氢酶的表达,改善线粒体功能,抑制小鼠肺缺血-再灌注时细胞凋亡从而减轻肺损伤。这为临床上研究肺缺血-再灌注提供一个新的研究靶点。

3 结语

综上所述,TLR3在呼吸系统疾病中发挥重要的作用,其在气道免疫应答、炎症调控、气道重塑、肿瘤发生和转移等方面扮演重要的角色。尽管目前对于TLR3的相关研究已经取得了巨大的进展,然而其在各种肺部疾病中发挥的具体机制还尚未阐明。目前大多数研究成果仍局限于动物和细胞实验,仍需要更多的高质量动物实验和基于人群的临床研究,以全面了解TLR3在呼吸系统疾病中作用和价值。

利益冲突   所有作者均声明不存在利益冲突

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