IRAK4在TLR介導的信號通路中的調節作用

柯 敏 綜述，李運璧 審校

(四川省醫學科學院· 四川省人民醫院兒科，四川 成都 610072)

IRAK4在TLR介導的信號通路中的調節作用

柯 敏 綜述，李運璧△審校

(四川省醫學科學院· 四川省人民醫院兒科，四川 成都 610072)

白細胞介素-1受體相關激酶(interleukin-1 receptor-associated k inase，IRAK)最初是指在前炎癥細胞因子白細胞介素-1(IL-1)誘導下能和白細胞介素-1受體(IL-1R)相結合的一類絲/蘇氨酸激酶，后來發現此類蛋白質和果蠅抵抗微生物感染所必須的Toll樣受體(Toll like receptor，TLR)通路上的pelle激酶具有高度同源性。IRAK家族共有4個成員：IRAK-1、IRAK-2、IRAK4、IRAK-M，其中IRAK4是新近發現的IRAK家族的成員，并且IRAK-1、IRAK4在TLR介導的信號通路中起正向調節作用，IRAK-2、IRAK-M在TLR介導的信號通路中起負向調節作用。目前研究發現IRAK4通過改變IRAK-1功能或者作為其他信號轉換的轉接蛋白，在TLR介導的信號通路中對抗外來病原體的免疫反應中具有重要的作用。

1 IRAKs的結構

IRAK家族的4個成員都有一個含絲氨酸和蘇氨酸的激酶結構域(kinase domain，KD)和保守的死亡結構域(Death Domain，DD)，除IRAK4之外，其他三個IRAKs都有一個長的C末端結構(C-terminal Domain)。死亡結構域介導與接頭分子MyD88相互作用，因此在信號通路中的作用非常關鍵。proST結構富含絲氨酸(serine，S)、脯氨酸(proline，P)和蘇氨酸(threonine，T)，IRAK1的磷酸化位點就在這個區域，該結構域含有一個潛在的富含氨基酸PEST的序列，能夠促進其自身的降解[1]，而IRAK2則沒有這個結構。激酶結構域含有一個對激酶活性非常重要的活化環，也是ATP的結合部位，因而也與其催化活性相關[2]。IRAK4既有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性又有酪氨酸激酶活性，已經由兩個獨立的研究組報道了其晶體結構[3，4]。C末端結構與信號通路中的其他分子如TRAF6及IRAK家族的其他成員結合，IRAK1、IRAK2和IRAKM分別含有3個、2個和1個TNF受體相關因子6(tumor-necrosisfactor receptor associated factor 6，TRAF6)的結構基序[5]。

2 IRAKs對炎癥反應的調節機制

研究表明，人類IRAK基因的遺傳變異與人類各種炎性疾病和免疫缺失病等的發生有著一定的關系。IRAK1是最早發現的IRAKs，最初被鑒定為IL1介導的信號通路中一個重要成員，誘導后可以被磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)、類泛素化(sumoylation)和乙酰化(acetylation)，不同的修飾可發揮不同的特定功能。IRAK1的上游激酶IRAK4啟動其最初的磷酸化[3]，然后迅速激活并發生自身磷酸化，導致泛素化和降解。IRAK1的降解是防止炎癥反應過度的一個重要負反饋調節機制[6，7]。

IRAK2最初由Dixit的研究組發現，他們是在人類表達序列標簽(EST)數據庫搜尋與IRAK1同源的基因時發現的。IRAK2不僅與MyD88相互作用，還可以與TRAF6相互作用，并激活NF-κB依賴的基因表達。Akira的研究小組發現，IRAK2缺失的巨噬細胞在TLR2配體Malp2刺激下，晚期NF-κB的活化削弱，表明IRAK2在維持TLR2介導的NF-κB轉錄中起重要調節作用[8]。

IRAK4兼具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性和酪氨酸激酶活性，內源性IRAK4以前炎癥細胞因子依賴的方式與IRAK1及TRAF6相互作用并使IRAK1磷酸化[9]。IRAK4 基因缺陷的小鼠完全失去了對細菌和病毒攻擊的應答，這說明它在天然免疫中起關鍵的作用[10]。IRAK4激酶活性在IL-1R和TLR介導的細胞因子和趨化因子mRNA的穩定中至關重要，在LPS、R848和IL1的刺激下，IRAK4激酶失活小鼠巨噬細胞中的mRNA穩定性降低[11]。IRAK4激酶活性為LPS誘導的IRAK1和IRAK2修飾所必需，但IRAK1和IRAK2的修飾并不相互依賴，這表明IRAK4是IRAK1和IRAK2上游的激酶。IRAK4激酶活性對TLR介導的前炎癥細胞因子mRNA穩定性的調節，很可能是通過IRAK2調節而完成的。然而，IRAK1和IRAK2共同缺失的巨噬細胞在TLR2配體刺激下，NF-κB的活化大為削弱，但并沒有完全消失，并不像IRAK4的影響那樣大。

3 IRAK4在TLR4信號通路中的作用

研究表明，TLRs家族可以識別不同的微生物配體和內源性配體，根據有無MyD88的參與，可將TLR介導的信號通路分為：MyD88依賴型信號通路和MyD88非依賴型信號通路[12]。其中IL-1R和TLR2、TLR4、TLR7/8、TLR9所介導的信號轉導通路是十分相似的，都是依賴MyD88作為調節分子激活下游的炎癥信號通路。TLRs/IL-1R與配體結合以后，募集MyD88分子，MyD88通過其N末端的死亡結構域進一步募集IRAK4，IRAK4通過自身磷酸化反應，發揮激酶活性，激活其底物IRAK1，IRAK1隨即磷酸化，構型發生改變，導致與受體復合物的親和力下降而分離，并與TRAF6形成復合物，導致TRAF6發生低聚作用，進一步通過轉接蛋白TAB激活轉化生長因子B活化激酶和NF-κB誘導激酶(NIK)，NIK隨即活化IkB激酶(IKK)復合物，IKK復合物進而磷酸化IkB，磷酸化的IkB隨后被降解，從而去除了對NF-κB的抑制作用，導致NF-κB活化，活化的NF-κB進入細胞核，引起促炎細胞因子基因的轉錄和表達。

所有的IRAKs都是多區域蛋白，含一個保守的DD的N末端和C末端的一個中央KD[13]。KD區由12個亞區構成，具有典型的絲/蘇氨酸激酶結構域的特征，DD區是IRAK和MyD88相結合的區域。只有IRAK1和IRAK4被證明具有激酶活性，而IRAK4是這個家族中唯一一個與D rosophila IRAK樣激酶Pelle最具同源性的分子[14]。IRAK4并不和IRAK1以外的其他IRAK分子相作用，并且必須有MyD88參與下IRAK4才能匯聚到TLR/IL-1R復合物，并和IRAK1緊密接觸。IRAK4先通過死亡結構域與調節分子MyD88相互作用，如果這二者沒有相作用，則不能使IRAK1分子磷酸化，也就阻斷了下游的信號通路。由此可見，IRAK4的死亡結構域在分子識別、激活下游信號通路中具有相當重要的作用。IRAK4晶體結構的確認就為其激酶活性的調節提供了很有價值的信息，同時也為設計強大而特異的IRAK4抑制劑提供了分子和結構基礎[15]。

4 IRAK4的研究展望

IRAK4分子在TLRs/IL-1R介導的信號通路的作用除了經典的激活下游NF-κB 及AP-1轉錄因子、誘導炎癥因子、細胞因子、趨化因子的表達外，另外也有研究發現，IRAK4過表達可以增強LPS誘導的NADPH氧化酶活性[16]，主要是通過IRAK4磷酸化P47phox，從而激活NADPH氧化酶，誘導下游的p38 MAPK的信號轉導。這就將IRAK4分子的生物學功能進一步擴展，不僅僅是限制在TLRs/IL-1R介導的信號通路中，更是廣泛參與了細胞內反應的網絡性調節。現階段，IRAK4的晶體結構已經闡明，可以由此設計出針對IRAK4特異性的藥物，或者通過基因治療手段干預IRAK4的表達，阻斷IRAK4激酶活性或者阻礙其與MyD88的結合，都將為感染性休克的治療開辟一條新的道路。同時，在缺陷IRAK4的細胞內表達IRAK4基因，也可以為感染控制提供新的手段，開發出新的抗炎藥物。

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IRAK4 in the regulating role in the TLR signaling pathways

KE Min，LI Yun-bi

2016-02-22)

△通訊作者，碩士生導師