魚類和哺乳類TLR4基因結構和功能的保守與進化

裴永艷黃 容李勇明廖蘭杰朱作言汪亞平

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

魚類和哺乳類TLR4基因結構和功能的保守與進化

裴永艷1,2黃 容1李勇明1廖蘭杰1朱作言1汪亞平1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

先天性免疫是生物體第一道免疫防線, 存在于各種多細胞生物中。Toll樣受體(Toll-like receptors, TLRs)是介導機體對病原體相關的分子模式(Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)識別的一類模式識別受體(pattern recognition receptors, PPRs), 在先天性免疫中發揮重要作用。TLR4是toll家族成員之一, 哺乳類中主要負責識別細菌的脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)。文章就TLR4的發現歷史, TLR4在魚類和哺乳類中的結構特點, TLR4的分布特征, 魚類和哺乳類中TLR4識別配體的差異, TLR4的信號傳導以及TLR4的進化進行了綜述。綜述將對TLR相關研究提供借鑒和參考。

TLR4; 信號通路; 脂多糖; 進化

生物體每時每刻都受到各種病原微生物的感染,在一般情況下生物體的免疫系統可以發揮作用清除這些病原微生物。生物的免疫系統包括兩種類型,即先天性免疫和獲得性免疫。先天性免疫是生物體第一道免疫防線, 存在于各種多細胞生物中[1]。當病原體侵入生物體后, 先天性免疫系統可以通過多種模式識別受體(Pattern recognition receptors, PRRs)識別病原體的一些非特異性的、高度保守且對生存和致病性必要的分子結構, 比如內毒素脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)、未甲基化的多聚CpG核苷酸、鞭毛、雙鏈RNA和肽聚糖等。這種來自細菌或病毒的特定的結構被稱為病原體相關的分子模式(Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)[2—4]。然后, 生物體產生迅速有效的免疫反應, 清除病原體, 同時也會導致炎癥反應的發生。Toll樣受體(Toll-like receptor, TLR)是介導機體對PAMPs識別的一類PRRs, 在先天性免疫中發揮了重要的作用[5,6]。Toll樣受體最先在果蠅中被發現, 并且在果蠅早期胚胎的背腹極性的形成中起重要作用[7]。不同的生物中至少存在15種TLRs, 包括TLR1、2、3、4、5、 6、7、8、9、10、11/12、13、14、21和TLR22/23[7]。其中, 人類的 TLR4是哺乳動物中第一個被鑒定的TLR受體, 同時是果蠅TLR1的直系同源基因[8]。在哺乳動物中, TLR4是LPS主要識別受體, 在機體炎癥反應的信號傳導中發揮了重要作用。TLR4是研究較為深入的TLR家族成員。本文就其從哺乳類TLR4到魚類TLR4發現歷史及結構特點、TLR4的配體識別及信號通路和 TLR4的功能進化研究等方面綜述如下。

1 TLR4的發現

1980年, Nusslein-Volhard等首先命名了Toll基因[9], 1984年Steward等研究黑腹果蠅胚胎極性形成時發現一種Toll蛋白能夠影響背腹軸極性的形成[10], 1985年, Anderson等在果蠅中克隆了Toll基因[11]。1991年, Gay等發現, Toll蛋白在結構上與哺乳動物中一種天然免疫功能分子—白細胞介素受體(Interleukon-1, IL-1)具有同源性, 二者的胞內區部分結構上相似[12], 暗示了 Toll可能和免疫有關。1994年, Nomura等報道了人類的第一個 TLR[13]。1996年, Taguchi等將其定位在 4號染色體上[14]。Lemaitre等發現果蠅中的Toll在抗真菌免疫反應中發揮重要作用, 它能促進抗菌肽的合成[15]。1997年, Medzhitov等首次發現與果蠅Toll蛋白同源的人Toll蛋白基因及其編碼的 Toll樣受體蛋白, 即如今的TLR4蛋白。TLR4與配體結合后, 能誘導一些關鍵基因的表達, 從而激活獲得性免疫反應[8]。對TLR4突變和缺失的小鼠研究發現TLR4是LPS的主要識別受體[16—18]。Leveque等克隆了雞的TLR4, 發現其對沙門氏菌有抵制作用[19]。研究發現斑馬魚13號染色體上存在3個TLR4同源基因[20—22]。Huang等發現草魚中存在一個TLR4基因簇, 其包含4個TLR4基因, 它們對 LPS沒有明顯的響應而對病毒具有一定程度的響應[23]。

2 TLR4在不同物種中的結構特點

TLRs家族為I型跨膜蛋白, 家族中各個成員的蛋白結構基本相似, 均包括 3個主要結構域: (1)胞外區, (2)跨膜區, (3)胞內 Toll/IL-1受體同源區(Toll/IL-1 receptor homologous region, TIR)。胞外區由 19—25個富含亮氨酸的重復序列(Leucine-rich repeat, LRR)組成, 每個 LRR有 24—29個氨基酸,包含一個保守的 XLXXLXLXX模塊和一個保守的X?XX?XXXXFXXLX模塊(X為任意氨基酸, ?為疏水性氨基酸), 折疊形成馬蹄形結構。同時, 這個區包含一個配體結合區域(Ligand Binding Region, LBR)可以直接識別PAMPs。該區域受到進化的選擇,具有較大的變異性, 從而適應不同的配體分子[24]。胞內TIR結構域序列與白細胞介素1受體1L-1R家族的胞質區序列有高度同源性, 兩者的分子構象也很相似[25,26], TIR結構域高度保守, 功能是信號傳導[27]。

TLR4在哺乳動物中同樣具有這三個結構域,然而在魚類中卻發生了變化。在草魚中, 存在的 4個 TLR4s(CiTLR4.1、 CiTLR4.2、CiTLR4.3、CiTLR4.4), 其中 CiTLR4.2、CiTLR4.3、CiTLR4.4是典型的TLRs, 包含 LRR結構域、跨膜區和TIR結構域。但是, 與這3個基因相比, CiTLR4.1的DNA序列有207 bp的缺失, 導致翻譯的蛋白只有LRR結構域, 沒有跨膜區和胞內 TIR結構域。此外幾乎所有的哺乳類和鳥類的TLRs都有完整的信號肽區域,然而斑馬魚和草魚的TLR4s則有所不同。斑馬魚的DrTLR4ba1以及草魚的 CiTLR4.1、CiTLR4.2沒有信號肽序列[23]。

3 TLR4的分布特征

TLRs家族廣泛分布于各種免疫細胞中, 包括巨噬細胞、樹突狀細胞、B淋巴細胞、特定類型的T淋巴細胞, 此外還分布在一些非免疫細胞中如上表皮細胞及成纖維細胞中。TLR4同樣存在于各種免疫細胞中, 在部分組織細胞如人角膜上皮細胞中也有表達[28,29]。斑馬魚的 3個 TLR4基因中, 有兩個(DrTLR4ba1、DrTLR4bb)表達模式已報道過, DrTLR4ba1在血液、腸、精巢、皮膚、腦、肝臟、心臟中均有表達, 而 DrTLR4bb僅僅在皮膚和心臟中表達[20]。草魚中四個 TLR4s分布于多個組織中,如腦、心臟、肌肉、肝臟、腎臟等[23]。

4 TLR4的配體識別差異

在TLRs家族中, 根據識別的配體不同將TLRs分為兩個亞類, 第一個亞類包括TLR1、2、4、5、6和TLR10, 這些TLRs存在于細胞膜的表面, 主要結合細菌表面的PAMPs, 如肽聚糖、脂多糖和鞭毛等,它們被稱作識別細菌的 TLRs[30—36]。第二個亞類包括TLR3、7、8和TLR9, 它們存在于細胞內體上, 主要識別病毒相關的PAMPs, 如未甲基化的多聚CpG核苷酸、雙鏈 RNA等, 它們被稱作識別病毒的TLRs[30—36]。

在哺乳動物中TLR4識別的配體包括外源性配體如LPS和由于細胞損傷生成的內源性物質如高遷移率族蛋白 B1(High mobility group protein B1, HMGB1)、透明質酸和二聚糖等[37,38]。LPS是G-細菌細胞壁主要成分, 結構上由類脂 A、核心多糖和O-特異側鏈3部分組成。類脂A主要激活哺乳動物先天性免疫反應及賦予LPS內毒素毒性[39]。此外, 在魚類中有些種類的LPS對機體起到免疫保護作用[40]。

由于TLR2和TLR4在對LPS響應的細胞中如外周血白細胞, 巨噬細胞和單核細胞的高度表達, TLR2一度被認為是識別LPS的主要受體[41]。后經研究發現 TLR4才是 LPS主要識別受體。Poltorak等報道了LPS耐受的C3H/HeJ小鼠是由于TLR4基因突變引起的; LPS耐受的C57BL/10ScCr小鼠中不存在TLR4mRNA的表達[16]。Hoshino等發現TLR4缺陷的小鼠對LPS沒有反應[18]。此外, Kawata等發現一種脂多糖抑制劑阻止外源導入 TLR4的細胞對LPS的響應[42]。Chow等通過NF-кB雙熒光素酶報告系統指出TLR4介導了LPS的信號傳導[17]。

TLR4不能像大部分TLRs那樣能夠直接識別相應配體[43,44]。在哺乳動物中, TLR4識別 LPS需要LBP、CD14和MD-2的輔助。LBP是一種可溶性的蛋白, 能直接結合LPS, 從而促進LPS與CD14的結合。CD14是糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白, 也可以以可溶性的形式存在, 它的功能是把 LPS轉移給TLR4/MD-2受體復合物[45]。LPS與TLR4相互作用之前需要先結合輔助受體MD-2, 即LPS結合MD-2的疏水區, 誘導TLR4/MD-2二聚化, 最終激活信號通路[43,44]。MD-2是可溶性的糖蛋白, 與TLR4非共價結合, 它還具有單獨同LPS結合的能力[45]。總而言之, LBP與LPS結合, 并將其運輸到細胞表面, 與CD14形成三元復合物, 然后將 LPS傳遞給 TLR4/ MD-2受體復合物從而誘導下游的信號通路[46]。TLR4不能直接與LPS接合, 必須依賴于MD-2。

較低等的脊椎動物特別是魚類和兩棲類對 LPS的毒性反應有耐受力[47]。相對于哺乳動物而言, 在體外實驗中需要使用極高濃度的LPS刺激不同魚類的白細胞才能達到預期的效果[48—52]。用LPS刺激斑馬魚, 其TLR4基因的表達沒有響應, 推測斑馬魚體內識別LPS不是通過TLR4介導的。另外, 斑馬魚的TLR4s對熱滅活大腸埃希氏菌和熱滅活的嗜肺軍團菌也沒有響應。然而將斑馬魚 TLR4的跨膜區及胞內區融合到小鼠TLR4的胞外區后的嵌合分子可以激活NF-кB的反應, 證明斑馬魚TLR4缺乏識別LPS的能力是由于斑馬魚 TLR4s胞外區沒有識別LPS的能力, 而不是由于其 TIR結構域轉導信號能力的改變。這同時反駁了之前報道的斑馬魚 TLR4s的 TIR區負調節 NF-кB的說法, 證實了魚類中的TLR4與LPS的識別無關并且可能存在另一種LPS識別途徑的假說[53]。后來研究發現斑馬魚對LPS具有耐受性, 可能由于斑馬魚 TLR4信號傳導中MyD88上游的接頭分子TIRAP蛋白N端比哺乳動物多了 105個氨基酸的原因[54]。然而, 在河豚中的研究顯示了清道夫受體SR代替了TLR4識別LPS,同時參與NF-κB的負調節, 魚類中是否普遍存在這樣的現象, 有待深入研究[55]。

哺乳動物的呼吸道合胞體病毒(Respiratory syncytial virus, RSV)的融合蛋白和LPS一樣, 能通過TLR4途徑激活細胞免疫反應[56,57]。小鼠乳腺腫瘤病毒(Mouse mammary tumor virus, MMTV)則能與小鼠TLR4免疫共沉淀, 它們的結合能激活B細胞免疫反應[58]。

用草魚呼腸孤病毒(Grass carp reovirus, GCRV)攻毒處理稀有鯽 36h后, 稀有鯽 TLR4b基因mRNA表達水平上調了5倍[59]。GCRV感染草魚后, CiTLR4.3和CiTLR4.4在肝臟和肌肉中的表達量都逐漸增加, 并且4個TLR4基因mRNA表達水平都有明顯上調的趨勢[23]。以上結果暗示了TLR4在魚類中可能與病毒的識別相關。

5 TLR4的信號傳導

TLRs識別受體后并與之結合, 同時自身二聚化, 并通過其胞內TIR結構域募集其他含TIR結構域的接頭分子, 如 MyD88、TIRAP(也稱為 Mal)、TRIF(也稱為TICAM1)和TRAM(也稱為TICAM2)。TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6、TLR7、TLR8、TLR9和TLR11能夠募集MyD88。除了募集MyD88外, TLR1、TLR2、TLR4和TLR6還能夠募集TIRAP, TIRAP的功能是介導TLRs與MyD88的連接。TLR3和 TLR4能夠募集 TRIF, 另外, TLR4還能夠集TRAM, TRAM的功能是介導TLR4與TRIF的連接[60]。上述的這些募集分子歸到兩條信號通路中, 一條信號通路是依賴MyD88的信號通路, 即依賴于MyD88和TIRAP誘導炎癥反應因子IL-1和TNFα的表達[61,62]。另一條是非依賴于 MyD88的信號通路, 即依賴于TRIF和TRAM來激活NF-кB和抗病毒的I型IFN的反應[62,63]。在TLRs家族中, 大部分TLRs成員是依賴于MyD88的信號通路, 而TLR3只有非依賴于MyD88的信號通路, TLR4是唯一擁有兩條信號通路的TLRs成員[63,64]。

在哺乳動物中, 對于依賴于MyD88的途徑, 當LPS的信號作用于TLR4時, TLR4的胞內區與一個接頭分子MyD88的同源結構域相結合。MyD88包含兩個結構域, 與 Toll受體同源結構域結合的羧基末端和包含死亡結構域的氨基末端[63—65]。該死亡結構域與白細胞介素-1受體相關激酶 4(IL-1 receptor-associated kinase, IRAK)的死亡結構域相互作用引起 IRAK4磷酸化下游的激酶 IRAK1。磷酸化的IRAK1募集并激活腫瘤壞死因子受體相關因子-6(TNF-receptor-associated factor 6,TRAF-6)[66]。這一因子反過來又結合并激活 TAB1/TAK1/TAB2復合物。TAK1磷酸化NF-кB抑制劑(IкB)的激酶(IKK),然后活化的IKK再磷酸化IкB, 最終導致IкB泛素化而降解[67], 從而使NF-кB從抑制狀態下被激活。細胞質中游離的NF-кB轉位到細胞核, 其活性二聚體啟動細胞因子如 IL-1的轉錄。對于非依賴于MyD88的途徑, 當 LPS的信號作用于 TLR4時, TLR4募集TRIF、TRAM兩個接頭分子, TBK1磷酸化 IKK, 激活干擾素調節因子 IRF3, 使其二聚化并移位到細胞核, 誘導I型IFN, IFN-β的表達[64,68—70]?？傊? TLR4信號級聯反應主要激活轉錄因子NF-кB、IRF3等, 最后誘導免疫相關基因的轉錄和表達(圖1)。

圖1 哺乳動物中TLR4信號通路Fig. 1 TLR4signal transduction pathway

6 TLR4的功能進化研究

雖然之前認為脊椎動物TLRs在進化上很保守[31],然而一些物種如鳥類和魚類中的 TLRs并不如預期的保守, 它們經歷了一定的進化上的正向選擇[71,72]。一般情況下, TLRs的LRR區比TIR區進化速率要快。在TLRs家族中, TLR3和TLR7的LRR區進化速率最低, 它們可能代表了先天性免疫系統中一種保守的機制和結構。然而, 在TLR10中, LRR區進化速率卻低于 TIR區, 這說明它的信號傳導功能可能不同于其他TLRs[73]。此外, 嚙齒目TLR4和TLR7經歷了正向選擇, 并且TLR4比TLR7的進化速度要快, TLR4的胞外區的LBR具有可變性, 這與其識別的配體種類的多樣性有關[74]。

TLRs家族的成員隨著脊椎動物的產生而不斷增加, 然而多樣性隨著脊椎動物免疫系統的完善而逐漸降低。線蟲中有 1個 TLR[75], ?？杏?1個TLRs[76], 海膽中有 2個 TLRs[77], 海鞘中有 3個TLRs[78], 而作為圓口類七鰓鰻的 TLRs成員卻高達16個[79]。硬骨魚類的TLRs則具有更高的多態性, 硬骨魚中總共發現18種類型的TLRs(TLR1、2、3、4、5、7、8、9、14、16、18、19、20、21、22、23、25、26)[80]。魚類中的TLRs還存在旁系同源基因, 如斑馬魚共有21個TLRs成員, 其中的TLR4有3個旁系同源基因, TLR5有2個, TLR8有2個, TLR20有 6個[21], 其他魚類中也有相類似的報道。而在人和小鼠中僅發現了13個TLRs[31]。以上現象說明隨著獲得性免疫系統的不斷完善并在免疫系統中逐漸占據核心地位, 作為模式識別受體的 TLRs因為功能上的冗余而逐漸丟失。

脊椎動物的TLRs主要分為14個分支, 各個物種擁有的不同的TLRs分支, 但每種TLRs分支只有一個拷貝[7]。TLR4在人和小鼠中只有一個拷貝。然而魚類中 TLR4的現象比較復雜, 在稀有鯽中現已報道了一個 TLR4[59], 斑點叉尾中存在兩個TLR4(TLR4/TLR4S)[80], 在斑馬魚基因組中卻發現了三個TLR4(DrTLR4ba1、DrTLR4ba2和DrTLR4bb),草魚基因組中存在4個TLR4(CiTLR4.1、CiTLR4.2、CiTLR4.3和CiTLR4.4)[23]。在河豚、東方紅鰭豚、淡水豚和刺魚基因組中卻沒檢測到TLR4[81,82]。以上現象都說明了魚類TLR4基因在進化上非常活躍[23]。共線性和進化樹分析顯示斑馬魚的 TLR4與人的TLR4是旁系同源, 而非直系同源[81], 這說明魚類和哺乳動物分支后, TLR4發生了變化。系統進化分析表明, 斑馬魚TLR4s與小鼠、人和雞TLR4s聚為一支而與其他TLR4s分開。草魚和斑馬魚的TLR4s首先聚在一起, 再與哺乳類、鳥類的TLR4s聚在一起[23]。斑馬魚和草魚共同的祖先很可能是2個TLR4基因, 其中一個分化成斑馬魚的 DrTLR4bb和草魚的CiTLR4.4, 另一個則通過1次復制分化成斑馬魚的DrTLR4ba和LOC795671, 通過2次復制分化成草魚的CiTLR4.1、CiTLR4.2、CiTLR4.3[23]。研究顯示河豚中的TLR4基因的丟失是由于清道夫受體SR代替了TLR4基因識別LPS[55]。斑馬魚基因組TLR4基因的保留可能是由于通過TLR4或其他TLR的亞功能化和新功能化使得 TLR4基因的存在是不可或缺的[22]。

斑馬魚TLR4對LPS的刺激沒有反應, Sepulcre等基于雙熒光素酶報告系統分析斑馬魚的整個胚胎,指出了TLR4在LPS信號傳導中作用的另一種觀點: TLR4負調控MyD88依賴性的TLR途徑[83]。后來研究反駁了這個觀點并證實斑馬魚TLR4缺乏識別LPS的能力是由于斑馬魚 TLR4s胞外區沒有識別LPS的能力[82]。較低等的脊椎動物特別是魚類和兩棲類對LPS的毒性反應有耐受力[47]。相對于哺乳動物而言, 在體外實驗中需要使用極高濃度的LPS刺激不同魚類的白細胞才能達到預期的效果[48—52],似乎只有高等的脊椎動物對低劑量的LPS才有典型的TLR4依賴的免疫反應[84]。這支持了TLR4識別LPS發生在魚類和四足動物分支之后這個假說[83]。

7 小結與展望

在哺乳動物特別是人類中, 由于 TLR4可以識別LPS, 參與LPS誘導的炎癥反應并和許多疾病如腫瘤、動脈粥樣硬化及哮喘關系密切, 有關 TLR4的功能研究的很透徹。然而, 由于魚類中 TLR4發現比較晚, 存在TLR4的物種也比較少, 所以TLR4的功能目前還不是很確定。

在哺乳動物中TLR4是LPS的主要受體, 可以通過CD14和MD-2的協同作用介導LPS誘導的炎癥反應[45,46]。TLR4或MD-2缺失的小鼠巨噬細胞對LPS的刺激無響應, TLR4/MD-2復合物是識別LPS的唯一受體[85]。在魚類中發現LPS并沒有誘導TLR4的高表達, 魚類現有的基因組類和EST序列中均不存在CD14和MD-2[22,84]。這說明魚中TLR4可能無法識別LPS或依賴于另一種受體識別LPS。在草魚和稀有鯽中, 發現病毒誘導了 TLR4的表達[23,59],這說明在魚類中TLR4的功能可能是識別病毒而不是 LPS, 其識別的配體還需要進一步的研究驗證。TLR4對LPS的識別可能是在魚類和四足動物分支以后形成的。此外, 魚類與哺乳動物的 TLR4結構也存在差異。魚類中不同TLR4拷貝的功能比較研究也將為其他TLR在物種進化過程中的功能進化研究提供更多線索。

[1] Janeway CA Jr, Medzhitov R. Innate immune recognition [J]. Annual Review of Immunology, 2002, 20: 197—216

[2] Horng T, Barton G M, Medzhitov R. TIRAP: an adapter molecule in the Toll signaling pathway [J]. Nature Immunology, 2001, 2(9): 835—841

[3] Medzhitov R, Janeway CA Jr. Innate immunity: impact on the adaptive immune response [J]. Current Opinion in Immunology, 1997, 9(1): 4—9

[4] Medzhitov R, Janeway CA Jr. Innate immunity: the virtues of a nonclonal system of recognition [J]. Cell, 1997, 91(3): 295—298

[5] Rutz M, Metzger J, Gellert T, et al. Toll-like receptor 9 binds single-stranded CpG-DNA in a sequence- and pH-dependent manner [J]. European Journal of Immunology, 2004, 34(9): 2541—2550

[6] Takeda K, Akira S. Toll receptors and pathogen resistance [J]. Cellular Microbiology, 2003, 5(3): 143—153

[7] Temperley N D, Berlin S, Paton I R, et al. Evolution of the chicken Toll-like receptor gene family: a story of gene gain and gene loss [J]. BMC Genomics, 2008, 9: 62

[8] Medzhitov R, Preston-Hurlburt P, Janeway CA Jr. A human homologue of the drosophila toll protein signals activation of adaptive immunity [J]. Nature, 1997, 388(6640): 394—397

[9] Nüsslein-Volhard C, Lohs-Schardin M, Sander K, et al. A dorso-ventral shift of embryonic primordia in a new maternal-effect mutant of dorsophil [J]. Nature, 1980, 283(5746): 474—476

[10] Steward R, McNally F J, Schedl P, et al. Isolation of the dorsal locus of drosophila [J]. Nature, 1984, 311(5983): 262—265

[11] Anderson K V, Jürgens G, Nüsslein-Volhard C. Establishment of dorsal-ventral polarity in the Drosophila embryo: Genetic studies on the role of the Toll gene product [J]. Cell, 1985, 42(3): 779—789

[12] Gay N J, Keith F J. Drosophila toll and IL-1 receptor [J]. Nature, 1991, 351(6325): 355—356

[13] Nomura N, Miyajima N, Sazuka T, et al. Prediction of the coding sequences of unidentified human genes [J]. DNA Research, 1994, 1(1): 27—35

[14] Taguchi T, Mitcham J L, Dower S K, et al. Chromosomal localization of TIL, a gene encoding a protein related to the Drosophila transmembrane receptor Toll, to human chromosome 4p14 [J]. Genomics, 1996, 32(3): 486—488

[15] Lemaitre B, Nicolas E, Michaut L, et al. The dorsoventral regulatory gene cassette sp?tzle/Toll/cactus controls the potent antifungal response in Drosophila adults [J]. Cell,1996, 86(6): 973—983

[16] Poltorak A, He X, Smirnova I, et al. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: mutations in Tlr4 gene [J]. Science, 1998, 282(5396): 2085—2088

[17] Chow J C, Young D W, Golenbock D T. Toll-like receptor-4 mediates lipopolysaccharide-induced signal transduction [J]. The Journal of Biological Chemistry, 1999, 274(16): 10689—10692

[18] Hoshino K, Takeuchi O, Kawai T, et al. Cutting edge: toll-like receptor4 (TLR4)-dfcient mice are hyporesponsive to lipopolysaccharide: evidence for TLR4 as the Lps gene product [J]. The Journal of Immunology, 1999, 162(7): 3749—3752

[19] Leveque G, Forgetta V, Morroll S, et al. Allelic variation in TLR4 is linked to susceptibility to salmonella enteric serovar typhimurium infection in chickens [J]. Infection and Immunity, 2003, 71(3): 1116—1124

[20] Jault C, Pichon L, Chluba J. Toll-like receptor gene family and TIR-domainadapters in Danio rerio [J]. Molecular Immunology, 2004, 40(11): 759—771

[21] Meijer A H, Gabby Krens S F, Medina Rodriguez I A, et al. Expression analysis of the Toll-like receptor and TIR domain adaptor families of zebrafsh [J]. Molecular Immunology, 2004, 40(11): 773—783

[22] Sullivan C, Charette J, Catchen J, et al. The gene history of zebrafsh tlr4a and tlr4b is predictive of their divergent functions [J]. The Journal of Immunology, 2009, 183(9): 5896—5908

[23] Huang R, Dong F, Jang S, et al. Isolation and analysis of a novel grass carp toll-like receptor 4 (tlr4) gene cluster involved in the response to grass carp reovirus [J]. Developmental & Comparative Immunology, 2012, 38(2): 383—388

[24] Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity [J]. Cell, 2006, 124(4): 783—801

[25] Bowie A, O’Neill L A. The interleukin-1 receptor/ Toll-like receptor superfamily: signal generators for pro-infammatory interleukins and microbial products [J]. Journal of Leukocyte Biology, 2000, 67(4): 508—514

[26] Martin M U, Wesche H. Summary and comparison of the signaling mechanisms of the Toll/interleukin-1 receptor family [J]. Biochimica et Biophysica Acta, 2002, 1592(3): 265—280

[27] Choe J, Kelker M S, Wilson I A. Crystal structure of human toll-like receptor 3 (TLR3) ectodomain [J]. Science, 2005, 309(5734): 581—585

[28] Song P I, Abraham T A, Park Y, et al. The expression of functional LPS receptor proteins CD14 and toll-like receptor 4 in human corneal cells [J]. Ophthalmology & Visual, 2001, 42(12): 2867—2877

[29] Muzio M, Bosisio D, Polentarutti N, et al. Differential expression and regulation of toll-like receptors (TLR) in human leukocytes: selective expression of TLR3 in dendritic cells [J]. The Journal of Immunology, 2000, 164(11): 5998—6004

[30] Janssens S, Beyaert R. Role of Toll-like receptors in pathogen recognition [J]. Clinical Microbiology Reviews, 2003, 16(4): 637—646

[31] Roach J C, Glusman G, Rowen L, et al. The evolution of vertebrate Toll-like receptors [J]. Proceeding of the National Academy Sciences of the United States of America, 2005, 102(27): 9577—9582

[32] Hughes A L, Piontkivska H. Functional diversification of the toll-like receptor gene family [J]. Immunogenetics, 2008, 60(5): 249—256

[33] Leulier F, Lemaitre B. Toll-like receptors-taking an evolutionary approach [J]. Nature Reviews Genetics, 2008, 9(3): 165—178

[34] Temperley N D, Berlin S, Paton I R, et al. Evolution of the chicken Toll-like receptor gene family: a story of gene gain and gene loss [J]. BMC Genomics, 2008, 9: 62

[35] Huang Y, Temperley N D, Ren L, et al. Molecular evolution of the vertebrate TLR1 gene family-a complex history of gene duplication, gene conversion, positive selection and co-evolution [J]. BMC Evolutionary Biology, 2011, 11: 149

[36] Barreiro L B, Ben-Ali M, Quach H, et al. Evolutionary dynamics of human Toll-like receptors and their different contributions to host defense [J]. PLoS Genet, 2009, 5(7): e1000562

[37] Beg A A. Endogenous ligands of Toll-like receptors: implications for regulating infammatory and immune responses [J]. Trends in Immunology, 2002, 23(11): 509—512

[38] Marshak-Rothstein A. Toll-like receptors in systemic autoimmune disease [J]. Nature Reviews Immunology, 2006, 6(11): 823—835

[39] Huber M, Kalis C, Keck S, et al. R-form LPS, the master key to the activation of TLR4/MD-2-positive cells [J]. European Journal of Immunology, 2006, 36(3): 701—711

[40] Wang K Y, Huang J L, Xiao D, et al. The immunoprotection of stenotrophomonas maltophilia lipopolysaccharide in channel catfish [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2012, 36(3): 433—440 [汪開毓, 黃錦爐, 肖丹, 等. 嗜麥芽寡養單胞菌脂多糖對斑點叉尾免疫保護作用. 水生生物學報, 2012, 36(3): 433—440]

[41] Yang R B, Mark M R, Gray A, et al. Toll-like receptor-2mediates lipopolysaccharide-induced cellular signaling [J]. Nature, 1998, 395(6699): 284—288

[42] Kawata T, Bristol J R, Rose J R, et al. Anti-endotoxin activity of a novel synthetic lipid A analog [J]. Progress in Clinical and Biological Research, 1995, 392: 499—509

[43] Park B S, Song D H, Kim H M, et al. The structural basis of lipopolysaccharide recognition by the TLR4-MD-2 complex [J]. Nature, 2009, 458: 1191—1195

[44] Shimazu R, Akashi S, Ogata H, et al. MD-2, a molecule that confers lipopolysaccharide responsiveness on Toll-like receptor 4 [J]. The Journal of Experimental Medicine, 1999, 189(11): 1777—1782

[45] Lu Y C, Ye W C, Ohashi P S. LPS/TLR4 signal transduction pathway [J]. Cytokine, 2008, 42(2): 145—151

[46] Dauphinee S M, Karsan A. Lipopolysaccharide signaling in endothelial cells [J]. Laboratory Investigation, 2006, 86(1): 9—22

[47] Berczi I, Bertok L, Bereznai T. Comparative studies on the toxicity of Escherichia coli lipopolysaccharide endotoxin in various animal species [J]. Canadian Journal of Microbiology, 1966, 12(5): 1070—1071

[48] Sepulcre M P, López-Castejón G, Meseguer J, et al. The activation of gilthead seabream professional phagocytes by different PAMPs underlines the behavioural diversity of the main innate immune cells of bony fsh [J]. Molecular Immunology, 2007, 44(8): 2009—2016

[49] Pelegrín P, García-Castillo J, Mulero V, et al. Interleukin-1isolated from a marine fsh reveals up-regulated expression in macrophages following activation with lipopolysaccharide and lymphokines [J]. Cytokine, 2001, 16(2): 67—72

[50] MacKenzie S, Planas J V, Goetz F W. LPS-stimulated expression of a tumor necrosis factor mRNA in primary trout monocytes and in vitro differentiated macrophages [J]. Developmental & Comparative Immunology, 2003, 27(5): 393—400

[51] Stafford J L, Ellestad K K, Magor K E, et al. A Toll-like receptor (TLR) gene that is up-regulated in activated goldfsh mac-rophages [J]. Developmental & Comparative Immunology, 2003, 27(8): 685—698

[52] Zou J, Tafalla C, Truckle J. Identifcation of a second group of type I IFNs in fsh sheds light on IFN evolution in vertebrates [J]. The Journal of Immunology, 2007, 179(6): 3859—3871

[53] Sullivan C, Charette J, Catchen J, et al. The gene history of zebrafsh tlr4a and tlr4b is predictive of their divergent functions [J]. The Journal of Immunology, 2009, 183(9): 5896—5908

[54] Liu Y, Li M, Fan S, et al. A unique feature of Toll/IL-1 receptor domain-containing adaptor protein is partially responsible for lipopolysaccharide insensitivity in zebrafish with a highly conserved function of MyD88 [J]. The Journal of Immunology, 2010, 185(6): 3391—3400

[55] Meng Z, Zhang X Y, Guo J, et al. Scavenger receptor in fish is a lipopolysaccharide recognition molecule involved in negative regulation of NF-κB activation by competing with TNF receptor-associated factor 2 recruitment into the TNF-α signaling pathway [J]. The Journal of Immunology, 2012, 189(8): 4024—4039

[56] Kurt-Jones E A, Popova L, Kwinn L, et al. Pattern recognition receptors TLR4 and CD14 mediate response to respiratory syncytial virus [J]. Nature Immunology, 2000, 1: 398—401

[57] Haynes L M, Moore D D, Kurt-Jones E A, et al. Involvement of toll-like receptor 4 in innate immunity to respiratory syncytial virus [J]. Journal of Virology, 2001, 75(22): 10730—10737

[58] Rassa J C, Meyers J L, Zhang Y M, et al. Murine retroviruses activate B cells via interaction with toll-like receptor 4 [J]. PNAS, 2002, 99(4): 2281—2286

[59] Su J G, Yang C R, Xiong F, et al. Toll-like receptor 4 signaling pathway can be triggered by grass carp reovirus and Aeromonashydrophila infection in rare minnow Gobiocyprisrarus [J]. Fish & Shellfsh Immunology, 2009, 27(1): 33—39

[60] Kumar H, Kawai T, Akira S. Toll-like receptors and innate immunity [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2009, 388(4): 621—762

[61] Sharma S, TenOever B R, Grandvaux N, et al. Triggering the interferon antiviral response through an ikk-related pathway [J]. Science, 2003, 300(5622): 11482—11451

[62] Yamamoto M, Takeda K. Current views of toll-like receptor signaling pathways [J]. Gastroenterology Research and Practice, 2010, 2010: 240365

[63] Fitzqerald K A, Rowe D C, Barnes D J, et al. LPS-TLR4 signaling to IRF-3/7 and NF-kappaB involves the toll adapters TRAM and TRIF [J]. The Journal of Experimental Medicine, 2003, 198(7): 1043—1055

[64] Oshiumi H, Matsumoto M, Funami K, et al. TICAM-1, an adaptor molecule that participates in Toll-like receptor3-mediated interferon-beta induction [J]. Nature Immunology, 2003, 4(2): 161—167

[65] Ashley M, Elizabeth B, Jodee A, et al. Mal interacts with tumor necrosis factor receptor-associated factor(TRAF)-6 to mediate NF-kappaB activation by toll-like receptor (TLR)-2 and TLR4 [J]. The Journal of Biological Chemistry, 2004, 279(36): 37227—37230

[66] Cao Z, Xiong J, Takeuchi M, et al. TRAF6 is a signal transducer for interleukin-1 [J]. Nature, 1996, 383(6599): 443—446

[67] Doyle S L, O’Neill L A. Toll-like receptors: from the discovery of NF-kappaB to new insights into transcriptional regulations in innate immunity [J]. Biochemical Pharmacology, 2006, 72(9): 1102—1113

[68] Brikos C, O’Neill L A. Signalling of toll-like receptors [J]. Handbook of Experimental Pharmacology, 2008, 183: 21—50

[69] Fitzgerald K A, Palsson-McDermott E M, Bowie A G, et al. Mal(MyD88-adapter-like) is required for Toll-like receptor-4 signal transduction [J]. Nature, 2001, 413(6851): 78—83

[70] Oshiumi H, Sasai M, Shida K, et al. TIR-containing adapter molecule (TICAM)-2, a bridging adapter recruiting totoll-like receptor 4 TICAM-1 that induces interferon-beta [J]. The Journal of Biological Chemistry, 2003, 278(50): 49751—49762

[71] Chen J S, Wang T Y, Wang D, et al. Evidence for positive selection in the TLR9 gene of teleosts [J]. Fish & Shellfish Immunology, 2008, 24(2): 234—242

[72] Nakajima T, Ohtani H, Satta Y, et al. Natural selection in the TLR-related genes in the course of primate evolution [J]. Immunogenetics, 2008, 60(12): 727—735

[73] Mikami T, Miyashita H, Takatsuka S, et al. Molecular evolution of vertebrate Toll-like receptors: Evolutionary rate difference between their leucine-rich repeats and their TIR domains [J]. Gene, 2012, 503(2): 235—243

[74] Forn?sková A, Vinkler M, Pagès M, et al. Contrasted evolutionary histories of two Toll-like receptors (Tlr4 and Tlr7) in wild rodents (MURINAE) [J]. BMC Evolutionary Biology, 2013, 13: 194

[75] Pujol N, Link E M, Liu L K, et al. A reverse genetic analysis of components of the Toll signaling pathway in Caenorhabditiselegans [J]. Current Biology, 2001, 11: 809—821

[76] Putnam N H, Putnam N H, Srivastava M, et al. Sea anemone genome reveals ancestral eumetazoan gene repertoire and genomic organization [J]. Science, 2007, 317(5834): 86—94

[77] Zheng L, Zhang L, Lin H, et al. Toll-like receptors in invertebrate innate immunity [J]. Invertebrate Survival Journal, 2005, 2: 105—113

[78] Azumi K, Santis R D, Tomaso A D, et al. Genomic analysis of immunity in a Urochordate and the emergence of the vertebrate immune system: “waiting for Godot” [J]. Immunogenetics, 2003, 55(8): 570—581

[79] Kasamatsua J, Oshiumi H, Matsumotoa M, et al. Phylogenetic and expression analysis of lamprey toll-like receptors [J]. Developmental & Comparative Immunology, 2010, 34(8): 855—865

[80] Zhang J, Liu S, Rajendran K V, et al. Pathogen recognition receptors in channel catfish: III Phylogeny and expression analysis of Toll-like receptors [J]. Developmental & Comparative Immunology, 2013, 40(2): 185—194

[81] Oshiumi H, Tsujita T, Shida K, et al. Prediction of the prototype of the human Toll-like receptor gene family from the pufferfsh, Fugurubripes, genome [J]. Immunogenetics, 2003, 54(11): 791—800

[82] Baoprasertkul P, Xu P, Peatman E, et al. Divergent Toll-like receptors in catfsh (Ictalurus punctatus): TLR5S, TLR20, TLR21 [J]. Fish & Shellfsh Immunology, 2007, 23(6): 1218—1230

[83] Sepulcre M P, Alcaraz-Pérez F, López-Mu?oz A, et al. Evolution of lipopolysaccharide (lps) recognition and signaling: fish TLR4 does not recognize lps and negatively regulates NF-kappaB activation [J]. The Journal of Immunology, 2009, 182(4): 1836—1845

[84] Rebl A, Goldammer T, Seyfert H M. Toll-like receptor signaling in bony fsh [J]. Veterinary Immunology and Immunopathology, 2010, 134(3—4): 139—150

[85] Meng J, Gong M, Bj?rkbacka H, et al. Genome-wide expression profiling and mutagenesis studies reveal that lipopolysaccharide responsiveness appears to be absolutely dependent on TLR4 and MD-2 expression and is dependent upon intermolecular ionic interactions [J]. The Journal of Immunology, 2011, 187(7): 3683—3693

CONSERVATIVE AND EVOLUTION OF TLR4’S GENE STRUCTURE AND FUNCTION IN FISH AND MAMMALIAN

PEI Yong-Yan1,2, HUANG Rong1, LI Yong-Ming1, LIAO Lan-Jie1, ZHU Zuo-Yan1and WANG Ya-Ping1
(1. Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Innate immunity is the first defense of organisms, which exist in all kinds of multicellular organism. Toll-like receptors (TLRs) is aclass of Pattern recognition receptors (PRRs) that involved in the recognition of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and played an important role in innate immunity. In regard to TLR4, which is a member of TLRs and could recognize the lipopolysaccharide (LPS) in bacterial. In the study, the found history of TLR4, structural features of TLR4 in mammalians and fish, distribution of TLR4, difference of TLR4 in mammalians and fish, signaling transmission, and the evolution of TLR4 were reviewed. This summary in the study would provide a reference for the research of TLR.

TLR4; Signal transduction pathway; LPS; Evolution

Q342+.4

A

1000-3207(2015)03-0590-08

10.7541/2015.77

2014-01-24;

2014-12-07

國家自然科學基金(31130055, 31123001)資助

裴永艷(1989—), 女, 江蘇省宿遷人; 博士; 主要從事魚類抗病基因的功能研究。E-mail: callmepyy@126.com

汪亞平(1963—), 男, 研究員; 研究方向為魚類功能基因組學、魚類分子育種等。E-mail: wangyp@ihb.ac.cn