柯 敏 綜述，李運(yùn)璧 審校

(四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院· 四川省人民醫(yī)院兒科，四川 成都 610072)

IRAK4在TLR介導(dǎo)的信號通路中的調(diào)節(jié)作用

柯 敏 綜述，李運(yùn)璧△審校

(四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院· 四川省人民醫(yī)院兒科，四川 成都 610072)

白細(xì)胞介素-1受體相關(guān)激酶(interleukin-1 receptor-associated k inase，IRAK)最初是指在前炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1(IL-1)誘導(dǎo)下能和白細(xì)胞介素-1受體(IL-1R)相結(jié)合的一類絲/蘇氨酸激酶，后來發(fā)現(xiàn)此類蛋白質(zhì)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(gè)成員：IRAK-1、IRAK-2、IRAK4、IRAK-M，其中IRAK4是新近發(fā)現(xiàn)的IRAK家族的成員，并且IRAK-1、IRAK4在TLR介導(dǎo)的信號通路中起正向調(diào)節(jié)作用，IRAK-2、IRAK-M在TLR介導(dǎo)的信號通路中起負(fù)向調(diào)節(jié)作用。目前研究發(fā)現(xiàn)IRAK4通過改變IRAK-1功能或者作為其他信號轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)接蛋白，在TLR介導(dǎo)的信號通路中對抗外來病原體的免疫反應(yīng)中具有重要的作用。

1 IRAKs的結(jié)構(gòu)

IRAK家族的4個(gè)成員都有一個(gè)含絲氨酸和蘇氨酸的激酶結(jié)構(gòu)域(kinase domain，KD)和保守的死亡結(jié)構(gòu)域(Death Domain，DD)，除IRAK4之外，其他三個(gè)IRAKs都有一個(gè)長的C末端結(jié)構(gòu)(C-terminal Domain)。死亡結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)與接頭分子MyD88相互作用，因此在信號通路中的作用非常關(guān)鍵。proST結(jié)構(gòu)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(diǎn)就在這個(gè)區(qū)域，該結(jié)構(gòu)域含有一個(gè)潛在的富含氨基酸PEST的序列，能夠促進(jìn)其自身的降解[1]，而IRAK2則沒有這個(gè)結(jié)構(gòu)。激酶結(jié)構(gòu)域含有一個(gè)對激酶活性非常重要的活化環(huán)，也是ATP的結(jié)合部位，因而也與其催化活性相關(guān)[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(jīng)由兩個(gè)獨(dú)立的研究組報(bào)道了其晶體結(jié)構(gòu)[3，4]。C末端結(jié)構(gòu)與信號通路中的其他分子如TRAF6及IRAK家族的其他成員結(jié)合，IRAK1、IRAK2和IRAKM分別含有3個(gè)、2個(gè)和1個(gè)TNF受體相關(guān)因子6(tumor-necrosisfactor receptor associated factor 6，TRAF6)的結(jié)構(gòu)基序[5]。

2 IRAKs對炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)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(fā)生有著一定的關(guān)系。IRAK1是最早發(fā)現(xiàn)的IRAKs，最初被鑒定為IL1介導(dǎo)的信號通路中一個(gè)重要成員，誘導(dǎo)后可以被磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)、類泛素化(sumoylation)和乙?；?acetylation)，不同的修飾可發(fā)揮不同的特定功能。IRAK1的上游激酶IRAK4啟動(dòng)其最初的磷酸化[3]，然后迅速激活并發(fā)生自身磷酸化，導(dǎo)致泛素化和降解。IRAK1的降解是防止炎癥反應(yīng)過度的一個(gè)重要負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[6，7]。

IRAK2最初由Dixit的研究組發(fā)現(xiàn)，他們是在人類表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)數(shù)據(jù)庫搜尋與IRAK1同源的基因時(shí)發(fā)現(xiàn)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(dá)。Akira的研究小組發(fā)現(xiàn)，IRAK2缺失的巨噬細(xì)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(dǎo)的NF-κB轉(zhuǎn)錄中起重要調(diào)節(jié)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(nèi)源性IRAK4以前炎癥細(xì)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(xì)菌和病毒攻擊的應(yīng)答，這說明它在天然免疫中起關(guān)鍵的作用[10]。IRAK4激酶活性在IL-1R和TLR介導(dǎo)的細(xì)胞因子和趨化因子mRNA的穩(wěn)定中至關(guān)重要，在LPS、R848和IL1的刺激下，IRAK4激酶失活小鼠巨噬細(xì)胞中的mRNA穩(wěn)定性降低[11]。IRAK4激酶活性為LPS誘導(dǎo)的IRAK1和IRAK2修飾所必需，但I(xiàn)RAK1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(dǎo)的前炎癥細(xì)胞因子mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)，很可能是通過IRAK2調(diào)節(jié)而完成的。然而，IRAK1和IRAK2共同缺失的巨噬細(xì)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(nèi)源性配體，根據(jù)有無MyD88的參與，可將TLR介導(dǎo)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(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是十分相似的，都是依賴MyD88作為調(diào)節(jié)分子激活下游的炎癥信號通路。TLRs/IL-1R與配體結(jié)合以后，募集MyD88分子，MyD88通過其N末端的死亡結(jié)構(gòu)域進(jìn)一步募集IRAK4，IRAK4通過自身磷酸化反應(yīng)，發(fā)揮激酶活性，激活其底物IRAK1，IRAK1隨即磷酸化，構(gòu)型發(fā)生改變，導(dǎo)致與受體復(fù)合物的親和力下降而分離，并與TRAF6形成復(fù)合物，導(dǎo)致TRAF6發(fā)生低聚作用，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)接蛋白TAB激活轉(zhuǎn)化生長因子B活化激酶和NF-κB誘導(dǎo)激酶(NIK)，NIK隨即活化IkB激酶(IKK)復(fù)合物，IKK復(fù)合物進(jìn)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(dǎo)致NF-κB活化，活化的NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核，引起促炎細(xì)胞因子基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

所有的IRAKs都是多區(qū)域蛋白，含一個(gè)保守的DD的N末端和C末端的一個(gè)中央KD[13]。KD區(qū)由12個(gè)亞區(qū)構(gòu)成，具有典型的絲/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域的特征，DD區(qū)是IRAK和MyD88相結(jié)合的區(qū)域。只有IRAK1和IRAK4被證明具有激酶活性，而IRAK4是這個(gè)家族中唯一一個(gè)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(fù)合物，并和IRAK1緊密接觸。IRAK4先通過死亡結(jié)構(gòu)域與調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)域在分子識別、激活下游信號通路中具有相當(dāng)重要的作用。IRAK4晶體結(jié)構(gòu)的確認(rèn)就為其激酶活性的調(diào)節(jié)提供了很有價(jià)值的信息，同時(shí)也為設(shè)計(jì)強(qiáng)大而特異的IRAK4抑制劑提供了分子和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[15]。

4 IRAK4的研究展望

IRAK4分子在TLRs/IL-1R介導(dǎo)的信號通路的作用除了經(jīng)典的激活下游NF-κB 及AP-1轉(zhuǎn)錄因子、誘導(dǎo)炎癥因子、細(xì)胞因子、趨化因子的表達(dá)外，另外也有研究發(fā)現(xiàn)，IRAK4過表達(dá)可以增強(qiáng)LPS誘導(dǎo)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(dǎo)下游的p38 MAPK的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。這就將IRAK4分子的生物學(xué)功能進(jìn)一步擴(kuò)展，不僅僅是限制在TLRs/IL-1R介導(dǎo)的信號通路中，更是廣泛參與了細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性調(diào)節(jié)?，F(xiàn)階段，IRAK4的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)闡明，可以由此設(shè)計(jì)出針對IRAK4特異性的藥物，或者通過基因治療手段干預(yù)IRAK4的表達(dá)，阻斷IRAK4激酶活性或者阻礙其與MyD88的結(jié)合，都將為感染性休克的治療開辟一條新的道路。同時(shí)，在缺陷IRAK4的細(xì)胞內(nèi)表達(dá)IRAK4基因，也可以為感染控制提供新的手段，開發(fā)出新的抗炎藥物。

[1] Martin MU，Kollewe C.Interleukin-1 receptor associated kinase-1 (IRAK-1)：aself regulatory adaptor molecule in the signalling cascade of the Toll /IL1 receptor family [J].Signal Transduct，2001，1(2)：37-50.

[2] Meylan E，Tschopp J.IRAK2 takes its place in TLR signaling[J].Nat Immunol，2008，9(6)：581-582.

[3] Wang Z，Liu J，Sudom A，et al.Crystal structures of IRAK4 kinase in complex with inhibitors：a serine/threonine kinase with tyrosine as a gatekeeper[J].Structure，2006，14(12)：1835-1844.

[4] Kuglstatter A，Villasen AG，Shaw D，et al.Cuttingedge：IL1 receptor-associated kinase 4 structures reveal novel features and m μltiple conformations[J].J Immunol，2007，78(5)：2641-2645.

[5] Ye H，Arron JR，Lamothe B，et al.Distinctmoleclar mechanism for initiating TRAF6 signalling[J].Nature，2002，418(6896)：443-447.

[6] Sato S，Takeuchi O，F(xiàn)ujita T，et al.A variety of microbial components induce tolerance to lipopolysaccharide by differentially affecting MyD88-dependent and-independent pathways[J].Int Immunol，2002，14(7)：783-791.

[7] Jacinto R，Hartung T，McCallC，et al.Lipopolysaccharide-and lipoteichoic acid-induced tolerance and crosstolerance：distinct alterations in IL1 receptor-associated kinase[J].J Immunol，2002，168(12)：6136-6141.

[8] Kawagoe T，Sato S，Matsushita K，et al.Sequential control of Toll-like receptor-dependent responses by IRAK1 and IRAK2[J].Nat Immunol，2008，9(6)：684-691.

[9] Li S，Strelow A，F(xiàn)ontana EJ，et al.IRAK4：a novel member of the IRAK family with the properties of an IRAKkinase[J].Proc Nat Acad Sci，2002，99(8)：5567-5572.

[10]Suzuki N，Suzuki S，Duncan G S，et al.Severe impairment of interleukin-1 and toll-like receptor signaling in mice lacking IRAK4[J].Natrue，2002，416(6882)：750-754.

[11]Kim TW，Staschke K，Blek K，et al.A critical role for IRAK4 kinase activity in Toll-like receptor-mediated innate immunity[J].J Exp Med，2007，204(5)：1025-1036.

[12]楊虎，李運(yùn)璧.內(nèi)毒素耐受及相關(guān)機(jī)制探討[J].實(shí)用醫(yī)院臨志，2013，10(5)：261-264.

[13]Cheng H，Addon a T，KeshishianH，et al.Regu lation of IRAK4 k inase activity viaau tophosphorylation with in its act ivation loop[J].Biochemical and Biophysical Research Commun icat ions，2007，352：609.

[14]Kug lstatter A，Villasen AG，Shaw D，et al.Cutting Edge：IL1 receptor associated kinase 4 structures reveal novel features and multiple conform ations[J].The Journal of Imm unology，2007，178：2641.

[15]Lasker MV，Gajjar MM，Nair SK，et al.Cutting Edge：Molecu larstructure of the IL-1R-associated kinase-4 death domain anditsim plications for TLR signaling [J].The Journal of Imm unology，2005，175：4175.

[16]Pacquelet S，John son JL，Ellis BA，et al.Cross talk between IRAK4 and the NADPH oxidase[J].Biochem J，2007，403：451.

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(dǎo)師