一个新的信号受体家族——Toll/IL-1R家族的研究进展
作者：陈建 罗向东 杨宗城 张宗梁
单位：陈建 罗向东 杨宗城(第三军医大学附属西南医院烧伤研究所，重庆400038)；张宗梁(中国科学院上海细胞生物学研究所，上海200031)
关键词：Toll；Toll样受体；IL-1受体；NF-κB；内毒素
生理科学进展000404摘要 Toll受体最初是在研究果蝇胚胎腹背侧体轴的形成中发现的，由于它与IL-1受体在结构、功能、信号转导通路上的诸多相似，人们将它们归入一个大的信号受体家族——Toll/IL-1R家族。许多研究均证实，除与胚胎发育有关外，这一信号受体家族的成员在机体对抗外来病原体的天然免疫中起到了重要的作用，尤其是人类Toll蛋白在介导内毒素对细胞损伤中的作用备受关注。
学科分类号 Q25
A New Signal Receptor Family —— A Review of the Current Progress of Toll/IL-1R Family
, 百拇医药
CHEN Jian,LUO Xiang-Dong,YANG Zong-Cheng,(Institute of Burn Research ,Southwest Hospital, Third Military Medical College，Chongqing 400038)
CHANG Zong-Liang
(Shanghai Institute of Cell Biology, Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200031)
Abstract Toll receptor was first identified in studies of dorsalventral polarity formation of drosophila embryo.As its similarity in structure,function and signal transduction pathway to the IL-1 receptor, Toll becomes a member of a new signal receptor family——the Toll/IL-1R family. Besides participating in embryonic development, this signal receptor family also plays a key role in triggering innate defenses against pathogens,in which the function of human Toll protein in the pathogenesis of LPS is especially interested.
, 百拇医药
Key words Toll； Toll-like receptor； IL-1 receptor； NF-κB； Endotoxin
一、 Toll 的发现
在果蝇的胚胎发育过程中，腹背侧体轴的形成依靠至少12种来自母体被称为背侧基因群(dorsal-group genes)的产物。母体缺少其中任何一个基因产物都将导致所有的胚胎细胞向背侧细胞发育，这种突变的胚胎缺乏所有体侧和腹侧结构，而在这些基因中，Toll基因产物似乎起到了极为重要的作用：Toll 基因的显性突变可导致胚胎的腹侧化；在野生型胚胎，Toll基因的局部活性决定了腹背侧体轴的方向[1]。
Hashimoto 等于1988年首先报道了Toll 基因的分离及其特性[2]。5.3kb cDNA序列分析显示，Toll 基因编码一个跨膜蛋白，由803个氨基酸组成的富含亮氨酸重复序列的胞外区(leucine-rich repeat,LRR)、跨膜区和269个氨基酸组成的胞内区构成。其中，17个潜在的糖基化位点和17个半胱氨酸残基均分布于胞外。Toll 基因产物是跨膜蛋白的发现为人们推测背侧基因群分子(dorsal group molecules)的生理功能提供了框架，随着该基因群其他成员tube、pelle、cactus、dorsal cDNA的克隆和蛋白结构的预测，它们之间的关系开始明朗[3]。
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二、Toll /IL-1R 家族的来源
随着Toll蛋白结构的阐明，人们将它与其他已知蛋白结构进行了比较。Schneider[4]和Gay[5]相继报道了Toll 与IL-1R1(IL-1受体1)之间的相似性，它们发现Toll 蛋白的胞质区域与人类IL-1R1有一段贯穿整个胞质区域的同源序列，其中26%的氨基酸残基一致，43%的氨基酸残基相似。并且这一同源序列正好覆盖了IL-1R 1信号转导的关键序列[6], 取代它将导致人类IL-1R1介导的IL-2转录能力的丧失。对Toll蛋白介导信号通路的研究发现，Toll 的活化最终导致转录因子dorsal 的激活，而dorsal 与NF-κB一样同属于rel 癌基因家族，也就是说，Toll 蛋白与IL-1R1所介导的都是rel 转录因子家族的活化。而dorsal的抑制物cactus与NF-κB的抑制物IκB同样具有较高的同源性(Haskill 等.1991)。
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随着研究的深入，Toll-dorsal通路的功能已不止于胚胎发育，它可通过诱导产生抗细菌、真菌肽而参与果蝇的非特异性自然免疫[7]；果蝇的幼虫如果缺乏cactus则易产生黑色素瘤(melonotic tumors),提示该通路也参与了果蝇的细胞免疫反应[1]。而IL-1R1 则一直在免疫和炎症反应的研究中占重要地位，它是许多感染 、炎症性疾病致病机制中起决定性作用的细胞因子，几乎可作用于全身各种细胞，IL-1 与IL-1R1的结合可导致大量与免疫反应和炎症相关基因的表达[8，9]，包括细胞因子、细胞因子受体、急性期反应物、生长因子、胞外基质、粘附分子等。IL-1R1/NF-κB信号通路是机体免疫反应中十分重要的组成部分。
由于上述结构、功能、介导信号通路上的一致性，许多学者认为Toll 和IL-1R应归入同一类受体家族，统称为Toll/IL-1R家族。
三、Toll/IL-1R 家族的成员
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该家族成员均含有一个被称为Toll同源结构域(Toll-homology domain)的TH结构域，由含128个氨基酸的10段保守序列组成。就目前的发现，这一家族至少包括4个不同的群体：Toll样受体,白介素-1受体家族,哺乳动物MyD88 分子,植物抗病蛋白[10]。
(一)Toll样受体 Toll样受体主要由果蝇Toll蛋白(dToll)和人类Toll蛋白(hToll)两部分组成。它们的结构非常相似，均含有胞外LRR 区和胞内TH 结构域,区别在于hToll较dToll缺失了一段位于LRR区长约90个氨基酸残基的富含半胱氨酸区域(Cys-rich clusters)。
在果蝇已发现有4种不同的Toll样蛋白，包括与胚胎发育和免疫相关的Toll、参与胚胎发育的18 Wheeler 和两个尚不知功能的Mst、Dm2245。继1997年Medzhitov 首次报道了人类Toll基因的克隆和蛋白序列之后，Chaudhary和Rock等相继报道了他们在不同人类细胞基因库中克隆、分离出的Toll 的cDNA和相应蛋白结构的预测。目前，已发现5种人类Toll蛋白，被命名为TLR1-5(Toll-like receptor)(表1)[10]。
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(二)IL-1R 家族 IL-1R家族包括IL-R1～6，它们的胞外部分与Toll不同，为3个免疫球蛋白样作用域。在人类，IL-R1～3定位于2号染色体，除IL-1R2外，它们的胞内均含有TH 结构域，IL-1R2因胞内部分仅含29个氨基酸残基，不介导信号转导，是以诱捕受体竞争IL-1R1的配体而存在。IL-1R4的功能不明，其余蛋白均以不同方式参与IL-1的信号转导[9，10]。
表1 人类TLR的cDNA长度、氨基酸数目、基因定位及组织分布情况
cDNA长度(bp)
氨基酸数目
基因定位
组织分布
TLR1
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2366
786
4p14
各种组织细胞均有发现
TLR2
2600
784
4q32
肺、心、脑、肌肉组织
TLR3
3029
904
4q35
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肺、心、脑、肌肉组织、胰腺、胚胎
TLR4
3811
879
9q32-33
胚胎
TLR5
1275
370
1q33.3
卵巢、外周血单核细胞
(三)植物抗病蛋白 近年来，在植物界也发现了包含TH 作用域的蛋白家族[11]，它是由植物抗病基因R基因编码的一组胞内蛋白，分别来自烟草、水芹、亚麻,它们以氨基末端的TH 结构域连接核苷酸结合位点(NBS)和LRR片断为特征，在植物对抗病原菌的免疫反应中起重要作用。
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附图 示Toll/IL-1R受体家族在信号转导通路上的高度保守性
(根据Medzhitov, Molecular Cell, 2∶253～258及Rock, Proc Natl Acad Sci USA,95∶588～593改编)
(四)MyD88 MyD88属于Toll/IL-1R家族和死亡结构域(death domain) 家族的成员，与Toll和IL-1R的不同之处在于它是一个胞质可溶性蛋白，由氨基末端的死亡结构域和与之相连的TH 结构域构成。hToll和IL-1R均可利用MyD88作为接头分子来募集其下游的丝/苏氨酸天然免疫激酶(serine/threonine innate immunity kinases,SIIK)完成信号转导，这一发现从结构和功能上都肯定了MyD88作为Toll/IL-1R家族成员的合理性[12]。
四、生物进化中保守的信号通路
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植物、动物Toll/IL-1R家族信号通路未完全明确，但从现有的研究结果来看，不同种属生物之间这条通路是高度保守的，它们接收相似的刺激(感染、炎症)，借助相同或相似的组分进行着相似的信号转导，完成着相近的生理功能，似乎在我们面前展示出了一条在植物和动物分化之前业已存在、至今已有数十亿年的古老的信号通路(附图)。
在果蝇的胚胎时期，Toll可与spatzle (为胞外蛋白，是果蝇Toll蛋白的天然配体)结合导致胞内蛋白tube的激活，活化的tube可将丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶pelle募集至胞膜受体复合物附近并使其磷酸化，活化的pelle引发dorsal抑制蛋白cactus的磷酸化及降解，转录因子dorsal于是从cactus-dorsal复合物中释放出来转位进核，引起相应靶基因的表达，从而使胚胎细胞向腹侧结构分化。另一个与dorsal 相关、同属于rel 转录因子家族的蛋白Dif(dorsal related immunity factor)也被证实参与了dToll介导的宿主对抗病原菌的防御反应[1，3]。
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人类Toll蛋白介导的信号通路也开始明确，但由于人类Toll的天然抗体尚不明确，几乎所有的结论都是建立在体外转染使某一组分过度表达或无功能突变的基础上，可能与真实的通路有相当的差距。就目前的研究来看，Toll受体、接头分子MyD88、丝/苏氨酸蛋白激酶IRAK、TNF受体相关因子TRAF6、NF-kB 诱导激酶(NIK)、IκB 激酶 α/β的顺次活化最终导致IκB的磷酸化、磷酸化的IκB泛素化从而被蛋白酶小体降解，NF-κB从IκB/NF-κB的复合物中解离出来转位进核，活化特定的基因表达[13～15]。
IL-1R1的信号转导是Toll/IL-1R家族中研究时间相对较长的，目前已找出了这一通路中能承接前后的各反应组分，对于各组分之间如何起作用尚未完全明确。简单的说，IL-1与IL-1R1结合后，IL-1R1必须与IL-1Acp形成复合物并通过IL-1Acp与接头分子MyD88联系，由MyD88通过其死亡结构域募集IRAK1/2至胞膜复合物，IRAK1/2的活化导致TRAF6、NIK、IKK、NF-κB的顺次活化[9，12，16]。
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在植物界目前尚未能给出完整的植物抗病信号通路，从R基因编码的五大类蛋白质来看，西红柿 pto基因可编码胞内丝/苏氨酸蛋白激酶；烟草 N、亚麻 L6、Arabidopsis RPP5编码一个包含N末端TH 结构域和核苷酸结合位点、LRR的胞质蛋白；水稻 Xa-21编码胞外为LRR、胞内具有蛋白激酶活性的跨膜蛋白。
表2 哺乳动物、昆虫、植物Toll/IL-1R家族信号转导通路比较
哺乳动物
昆虫
植物
受体
IL-1Rs
hToll
dToll
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N,L6,M,Rpp5
蛋白激酶
IRAK1,2
Pelle
Pto
Rel 家族转录因子
P50,P52,P65/Rel A,c-rel
Dorsal,Dif,Relish
?
IκB 样抑制因子
IκBα/β/γ/ε
Cactus
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?
在植物抗病信号通路中，Xa-21可能起到识别外来病原的作用，而有激酶活性的胞质蛋白pto/pit/fen则可作为其下游的效应分子而激活，但pto/pit/fen如何与N/L6/RPP5之间相互作用远未明确[11]。
比较不同种属Toll/IL-1R家族成员的信号通路可以发现，它的高度保守性表现在受体、蛋白激酶、转录因子、转录因子抑制物各个水平[8](表2)。由于这一信号通路跨越了不同种属，提示它可能是在动植物分化之前即已存在的一条古老的信号通路，能历经漫长的生物进化而被保留下来，说明它在动植物的生长发育中起着重要而且不可替代的作用。
五、人类Toll蛋白与病原识别
在果蝇Toll发现后不久，人们就认识到它在对抗病原体的感染中的重要作用。霉菌感染时Toll蛋白可活化转录因子dorsal，产生抗霉菌肽，参与抗感染免疫；并且不同的Toll样蛋白可识别不同的病原体[14]；植物界也发现植物抗病蛋白在植物对抗病毒、细菌、寄生虫的感染中起十分重要的作用[11]。既然果蝇、植物的Toll样蛋白在机体对抗病原的免疫反应中起到了重要的作用，人类Toll蛋白在抗病免疫中作用又如何呢？
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Yang, Kirschning先后独立报道了转染HEK293细胞表达TLR2可使它们产生CD14/LBP依赖的对LPS的反应; TLR4基因的缺失是导致C3H/HeJ、C57BL/10ScCr小鼠对内毒素LPS低敏感性的原因[17];不仅如此，TLR2还可引起LPS浓度依赖的NF-κB活性的增高; LPS刺激后的巨噬细胞TLR2的表达有明显增高，用TLR2的胞外区与3H-LPS进行体外结合力的测定证实二者在体外可直接结合，虽然其结合力Kd较低[18]。
细菌感染一直是导致病人死亡的重要原因，其中由G-细菌感染所致的内毒素血症病死率长期维持在30%左右居高不下，因此LPS的作用机制一直是科研工作者的研究重点，但目前对LPS作用机制的研究正处于一个相对停滞期。自80年代末确立了内毒素结合蛋白LBP、内毒素受体CD14在介导LPS作用机制中的重要作用[17]以来，CD14阳性细胞的作用模型是LPS先与LBP形成复合物，然后与细胞膜表面的CD14结合引起细胞效应； CD14阴性细胞则是LPS 先与LBP、sCD14形成三聚体然后与细胞膜上一个未知的膜受体结合引起细胞的一系列生理病理变化。但这些模型有许多不明之处，如：(1)虽已证实CD14在介导LPS反应中的重要作用，但由于CD14是一个非跨膜蛋白，目前仍未找到介导胞外信号进入胞内的信号跨膜转导蛋白；(2)CD14、LBP在介导LPS细胞反应中的作用是LPS浓度依赖的，在高浓度或低浓度长时间LPS作用下，CD14、LBP不起主要作用；(3)对于CD14阴性细胞，虽已肯定但尚未找出与LPS-LBP-sCD14 结合的膜受体；(4)目前已发现一些可与LPS结合的细胞膜结构，如分子量为80、73、40/45、55/65、97kD膜蛋白、CD11/CD18、scavenger receptor 等[19]，除后两个外其它蛋白的本质尚不明确。
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Toll的出现使许多学者看到了内毒素作用机制研究的突破点，随着对Toll与LPS相互作用的研究，似乎越来越多的证据表明，人类Toll蛋白可能参与了LPS信号识别与转导，对Toll如何参与这一过程有多种猜测：(1)由于LRR区域具有识别多种分子如蛋白、肽、碳氢化合物等的pattern recognition receptors[18]的功能，Toll极可能作为LPS的识别受体、把刺激信号由胞外传入胞内的信号受体存在。如LPS是否即是它的天然配体之一？(2)由于CD14是非跨膜蛋白，Toll可能作为将CD14或其它膜受体识别的病原体刺激信号转入胞内的信号跨膜转导蛋白而存在[15]；(3)由于不同的Toll蛋白可识别不同类别的病原体，产生不同的抗病原物质，如能找出人类Toll蛋白编码的抗病物质可使抗感染的治疗更有针对性[13，20]。
由于目前关于hToll的结论大都建立在体外转染实验的基础上，如何在非转染条件下证实Toll 参与了LPS与效应细胞的相互作用，将有可能揭示LPS的致病机制，并最终找到新的、针对性更强的手段来治疗临床上这一顽固而致命的感染综合症。
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六、研究Toll/IL-1R信号受体的意义
1.生物医学方面：可望明确动植物病原识别的本质，为治疗病原体感染提供新的治疗途径，包括对病原识别信号通路的研究、Toll样受体活化相关产物的研究等；
2.生物进化研究方面：明确动植物病原识别的途径，了解在物种进化的漫长过程中生物体如何在与病原体的斗争中生存进化；
3.农业生产方面：通过抗病基因的筛选，可培育出抗病能力强的动植物新品系，应用前景广阔；
4.发育生物学方面：了解人类及其它动植物胚胎发育时期腹背侧体轴的形成是否也由这一信号受体家族的活化而决定，由此解释一些胚胎发育中的现象。
作为一个新的受体家族，对它的研究才刚刚起步，但从目前已得出的结论来看，Toll/IL-1R家族必将为科研工作者们提供更广阔的思维空间。
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参考文献
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单位：陈建 罗向东 杨宗城(第三军医大学附属西南医院烧伤研究所，重庆400038)；张宗梁(中国科学院上海细胞生物学研究所，上海200031)
关键词：Toll；Toll样受体；IL-1受体；NF-κB；内毒素
生理科学进展000404摘要 Toll受体最初是在研究果蝇胚胎腹背侧体轴的形成中发现的，由于它与IL-1受体在结构、功能、信号转导通路上的诸多相似，人们将它们归入一个大的信号受体家族——Toll/IL-1R家族。许多研究均证实，除与胚胎发育有关外，这一信号受体家族的成员在机体对抗外来病原体的天然免疫中起到了重要的作用，尤其是人类Toll蛋白在介导内毒素对细胞损伤中的作用备受关注。
学科分类号 Q25
A New Signal Receptor Family —— A Review of the Current Progress of Toll/IL-1R Family
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CHEN Jian,LUO Xiang-Dong,YANG Zong-Cheng,(Institute of Burn Research ,Southwest Hospital, Third Military Medical College，Chongqing 400038)
CHANG Zong-Liang
(Shanghai Institute of Cell Biology, Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200031)
Abstract Toll receptor was first identified in studies of dorsalventral polarity formation of drosophila embryo.As its similarity in structure,function and signal transduction pathway to the IL-1 receptor, Toll becomes a member of a new signal receptor family——the Toll/IL-1R family. Besides participating in embryonic development, this signal receptor family also plays a key role in triggering innate defenses against pathogens,in which the function of human Toll protein in the pathogenesis of LPS is especially interested.
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Key words Toll； Toll-like receptor； IL-1 receptor； NF-κB； Endotoxin
一、 Toll 的发现
在果蝇的胚胎发育过程中，腹背侧体轴的形成依靠至少12种来自母体被称为背侧基因群(dorsal-group genes)的产物。母体缺少其中任何一个基因产物都将导致所有的胚胎细胞向背侧细胞发育，这种突变的胚胎缺乏所有体侧和腹侧结构，而在这些基因中，Toll基因产物似乎起到了极为重要的作用：Toll 基因的显性突变可导致胚胎的腹侧化；在野生型胚胎，Toll基因的局部活性决定了腹背侧体轴的方向[1]。
Hashimoto 等于1988年首先报道了Toll 基因的分离及其特性[2]。5.3kb cDNA序列分析显示，Toll 基因编码一个跨膜蛋白，由803个氨基酸组成的富含亮氨酸重复序列的胞外区(leucine-rich repeat,LRR)、跨膜区和269个氨基酸组成的胞内区构成。其中，17个潜在的糖基化位点和17个半胱氨酸残基均分布于胞外。Toll 基因产物是跨膜蛋白的发现为人们推测背侧基因群分子(dorsal group molecules)的生理功能提供了框架，随着该基因群其他成员tube、pelle、cactus、dorsal cDNA的克隆和蛋白结构的预测，它们之间的关系开始明朗[3]。
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二、Toll /IL-1R 家族的来源
随着Toll蛋白结构的阐明，人们将它与其他已知蛋白结构进行了比较。Schneider[4]和Gay[5]相继报道了Toll 与IL-1R1(IL-1受体1)之间的相似性，它们发现Toll 蛋白的胞质区域与人类IL-1R1有一段贯穿整个胞质区域的同源序列，其中26%的氨基酸残基一致，43%的氨基酸残基相似。并且这一同源序列正好覆盖了IL-1R 1信号转导的关键序列[6], 取代它将导致人类IL-1R1介导的IL-2转录能力的丧失。对Toll蛋白介导信号通路的研究发现，Toll 的活化最终导致转录因子dorsal 的激活，而dorsal 与NF-κB一样同属于rel 癌基因家族，也就是说，Toll 蛋白与IL-1R1所介导的都是rel 转录因子家族的活化。而dorsal的抑制物cactus与NF-κB的抑制物IκB同样具有较高的同源性(Haskill 等.1991)。
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随着研究的深入，Toll-dorsal通路的功能已不止于胚胎发育，它可通过诱导产生抗细菌、真菌肽而参与果蝇的非特异性自然免疫[7]；果蝇的幼虫如果缺乏cactus则易产生黑色素瘤(melonotic tumors),提示该通路也参与了果蝇的细胞免疫反应[1]。而IL-1R1 则一直在免疫和炎症反应的研究中占重要地位，它是许多感染 、炎症性疾病致病机制中起决定性作用的细胞因子，几乎可作用于全身各种细胞，IL-1 与IL-1R1的结合可导致大量与免疫反应和炎症相关基因的表达[8，9]，包括细胞因子、细胞因子受体、急性期反应物、生长因子、胞外基质、粘附分子等。IL-1R1/NF-κB信号通路是机体免疫反应中十分重要的组成部分。
由于上述结构、功能、介导信号通路上的一致性，许多学者认为Toll 和IL-1R应归入同一类受体家族，统称为Toll/IL-1R家族。
三、Toll/IL-1R 家族的成员
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该家族成员均含有一个被称为Toll同源结构域(Toll-homology domain)的TH结构域，由含128个氨基酸的10段保守序列组成。就目前的发现，这一家族至少包括4个不同的群体：Toll样受体,白介素-1受体家族,哺乳动物MyD88 分子,植物抗病蛋白[10]。
(一)Toll样受体 Toll样受体主要由果蝇Toll蛋白(dToll)和人类Toll蛋白(hToll)两部分组成。它们的结构非常相似，均含有胞外LRR 区和胞内TH 结构域,区别在于hToll较dToll缺失了一段位于LRR区长约90个氨基酸残基的富含半胱氨酸区域(Cys-rich clusters)。
在果蝇已发现有4种不同的Toll样蛋白，包括与胚胎发育和免疫相关的Toll、参与胚胎发育的18 Wheeler 和两个尚不知功能的Mst、Dm2245。继1997年Medzhitov 首次报道了人类Toll基因的克隆和蛋白序列之后，Chaudhary和Rock等相继报道了他们在不同人类细胞基因库中克隆、分离出的Toll 的cDNA和相应蛋白结构的预测。目前，已发现5种人类Toll蛋白，被命名为TLR1-5(Toll-like receptor)(表1)[10]。
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(二)IL-1R 家族 IL-1R家族包括IL-R1～6，它们的胞外部分与Toll不同，为3个免疫球蛋白样作用域。在人类，IL-R1～3定位于2号染色体，除IL-1R2外，它们的胞内均含有TH 结构域，IL-1R2因胞内部分仅含29个氨基酸残基，不介导信号转导，是以诱捕受体竞争IL-1R1的配体而存在。IL-1R4的功能不明，其余蛋白均以不同方式参与IL-1的信号转导[9，10]。
表1 人类TLR的cDNA长度、氨基酸数目、基因定位及组织分布情况
cDNA长度(bp)
氨基酸数目
基因定位
组织分布
TLR1
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2366
786
4p14
各种组织细胞均有发现
TLR2
2600
784
4q32
肺、心、脑、肌肉组织
TLR3
3029
904
4q35
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肺、心、脑、肌肉组织、胰腺、胚胎
TLR4
3811
879
9q32-33
胚胎
TLR5
1275
370
1q33.3
卵巢、外周血单核细胞
(三)植物抗病蛋白 近年来，在植物界也发现了包含TH 作用域的蛋白家族[11]，它是由植物抗病基因R基因编码的一组胞内蛋白，分别来自烟草、水芹、亚麻,它们以氨基末端的TH 结构域连接核苷酸结合位点(NBS)和LRR片断为特征，在植物对抗病原菌的免疫反应中起重要作用。
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附图 示Toll/IL-1R受体家族在信号转导通路上的高度保守性
(根据Medzhitov, Molecular Cell, 2∶253～258及Rock, Proc Natl Acad Sci USA,95∶588～593改编)
(四)MyD88 MyD88属于Toll/IL-1R家族和死亡结构域(death domain) 家族的成员，与Toll和IL-1R的不同之处在于它是一个胞质可溶性蛋白，由氨基末端的死亡结构域和与之相连的TH 结构域构成。hToll和IL-1R均可利用MyD88作为接头分子来募集其下游的丝/苏氨酸天然免疫激酶(serine/threonine innate immunity kinases,SIIK)完成信号转导，这一发现从结构和功能上都肯定了MyD88作为Toll/IL-1R家族成员的合理性[12]。
四、生物进化中保守的信号通路
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植物、动物Toll/IL-1R家族信号通路未完全明确，但从现有的研究结果来看，不同种属生物之间这条通路是高度保守的，它们接收相似的刺激(感染、炎症)，借助相同或相似的组分进行着相似的信号转导，完成着相近的生理功能，似乎在我们面前展示出了一条在植物和动物分化之前业已存在、至今已有数十亿年的古老的信号通路(附图)。
在果蝇的胚胎时期，Toll可与spatzle (为胞外蛋白，是果蝇Toll蛋白的天然配体)结合导致胞内蛋白tube的激活，活化的tube可将丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶pelle募集至胞膜受体复合物附近并使其磷酸化，活化的pelle引发dorsal抑制蛋白cactus的磷酸化及降解，转录因子dorsal于是从cactus-dorsal复合物中释放出来转位进核，引起相应靶基因的表达，从而使胚胎细胞向腹侧结构分化。另一个与dorsal 相关、同属于rel 转录因子家族的蛋白Dif(dorsal related immunity factor)也被证实参与了dToll介导的宿主对抗病原菌的防御反应[1，3]。
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人类Toll蛋白介导的信号通路也开始明确，但由于人类Toll的天然抗体尚不明确，几乎所有的结论都是建立在体外转染使某一组分过度表达或无功能突变的基础上，可能与真实的通路有相当的差距。就目前的研究来看，Toll受体、接头分子MyD88、丝/苏氨酸蛋白激酶IRAK、TNF受体相关因子TRAF6、NF-kB 诱导激酶(NIK)、IκB 激酶 α/β的顺次活化最终导致IκB的磷酸化、磷酸化的IκB泛素化从而被蛋白酶小体降解，NF-κB从IκB/NF-κB的复合物中解离出来转位进核，活化特定的基因表达[13～15]。
IL-1R1的信号转导是Toll/IL-1R家族中研究时间相对较长的，目前已找出了这一通路中能承接前后的各反应组分，对于各组分之间如何起作用尚未完全明确。简单的说，IL-1与IL-1R1结合后，IL-1R1必须与IL-1Acp形成复合物并通过IL-1Acp与接头分子MyD88联系，由MyD88通过其死亡结构域募集IRAK1/2至胞膜复合物，IRAK1/2的活化导致TRAF6、NIK、IKK、NF-κB的顺次活化[9，12，16]。
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在植物界目前尚未能给出完整的植物抗病信号通路，从R基因编码的五大类蛋白质来看，西红柿 pto基因可编码胞内丝/苏氨酸蛋白激酶；烟草 N、亚麻 L6、Arabidopsis RPP5编码一个包含N末端TH 结构域和核苷酸结合位点、LRR的胞质蛋白；水稻 Xa-21编码胞外为LRR、胞内具有蛋白激酶活性的跨膜蛋白。
表2 哺乳动物、昆虫、植物Toll/IL-1R家族信号转导通路比较
哺乳动物
昆虫
植物
受体
IL-1Rs
hToll
dToll
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N,L6,M,Rpp5
蛋白激酶
IRAK1,2
Pelle
Pto
Rel 家族转录因子
P50,P52,P65/Rel A,c-rel
Dorsal,Dif,Relish
?
IκB 样抑制因子
IκBα/β/γ/ε
Cactus
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?
在植物抗病信号通路中，Xa-21可能起到识别外来病原的作用，而有激酶活性的胞质蛋白pto/pit/fen则可作为其下游的效应分子而激活，但pto/pit/fen如何与N/L6/RPP5之间相互作用远未明确[11]。
比较不同种属Toll/IL-1R家族成员的信号通路可以发现，它的高度保守性表现在受体、蛋白激酶、转录因子、转录因子抑制物各个水平[8](表2)。由于这一信号通路跨越了不同种属，提示它可能是在动植物分化之前即已存在的一条古老的信号通路，能历经漫长的生物进化而被保留下来，说明它在动植物的生长发育中起着重要而且不可替代的作用。
五、人类Toll蛋白与病原识别
在果蝇Toll发现后不久，人们就认识到它在对抗病原体的感染中的重要作用。霉菌感染时Toll蛋白可活化转录因子dorsal，产生抗霉菌肽，参与抗感染免疫；并且不同的Toll样蛋白可识别不同的病原体[14]；植物界也发现植物抗病蛋白在植物对抗病毒、细菌、寄生虫的感染中起十分重要的作用[11]。既然果蝇、植物的Toll样蛋白在机体对抗病原的免疫反应中起到了重要的作用，人类Toll蛋白在抗病免疫中作用又如何呢？
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Yang, Kirschning先后独立报道了转染HEK293细胞表达TLR2可使它们产生CD14/LBP依赖的对LPS的反应; TLR4基因的缺失是导致C3H/HeJ、C57BL/10ScCr小鼠对内毒素LPS低敏感性的原因[17];不仅如此，TLR2还可引起LPS浓度依赖的NF-κB活性的增高; LPS刺激后的巨噬细胞TLR2的表达有明显增高，用TLR2的胞外区与3H-LPS进行体外结合力的测定证实二者在体外可直接结合，虽然其结合力Kd较低[18]。
细菌感染一直是导致病人死亡的重要原因，其中由G-细菌感染所致的内毒素血症病死率长期维持在30%左右居高不下，因此LPS的作用机制一直是科研工作者的研究重点，但目前对LPS作用机制的研究正处于一个相对停滞期。自80年代末确立了内毒素结合蛋白LBP、内毒素受体CD14在介导LPS作用机制中的重要作用[17]以来，CD14阳性细胞的作用模型是LPS先与LBP形成复合物，然后与细胞膜表面的CD14结合引起细胞效应； CD14阴性细胞则是LPS 先与LBP、sCD14形成三聚体然后与细胞膜上一个未知的膜受体结合引起细胞的一系列生理病理变化。但这些模型有许多不明之处，如：(1)虽已证实CD14在介导LPS反应中的重要作用，但由于CD14是一个非跨膜蛋白，目前仍未找到介导胞外信号进入胞内的信号跨膜转导蛋白；(2)CD14、LBP在介导LPS细胞反应中的作用是LPS浓度依赖的，在高浓度或低浓度长时间LPS作用下，CD14、LBP不起主要作用；(3)对于CD14阴性细胞，虽已肯定但尚未找出与LPS-LBP-sCD14 结合的膜受体；(4)目前已发现一些可与LPS结合的细胞膜结构，如分子量为80、73、40/45、55/65、97kD膜蛋白、CD11/CD18、scavenger receptor 等[19]，除后两个外其它蛋白的本质尚不明确。
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Toll的出现使许多学者看到了内毒素作用机制研究的突破点，随着对Toll与LPS相互作用的研究，似乎越来越多的证据表明，人类Toll蛋白可能参与了LPS信号识别与转导，对Toll如何参与这一过程有多种猜测：(1)由于LRR区域具有识别多种分子如蛋白、肽、碳氢化合物等的pattern recognition receptors[18]的功能，Toll极可能作为LPS的识别受体、把刺激信号由胞外传入胞内的信号受体存在。如LPS是否即是它的天然配体之一？(2)由于CD14是非跨膜蛋白，Toll可能作为将CD14或其它膜受体识别的病原体刺激信号转入胞内的信号跨膜转导蛋白而存在[15]；(3)由于不同的Toll蛋白可识别不同类别的病原体，产生不同的抗病原物质，如能找出人类Toll蛋白编码的抗病物质可使抗感染的治疗更有针对性[13，20]。
由于目前关于hToll的结论大都建立在体外转染实验的基础上，如何在非转染条件下证实Toll 参与了LPS与效应细胞的相互作用，将有可能揭示LPS的致病机制，并最终找到新的、针对性更强的手段来治疗临床上这一顽固而致命的感染综合症。
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六、研究Toll/IL-1R信号受体的意义
1.生物医学方面：可望明确动植物病原识别的本质，为治疗病原体感染提供新的治疗途径，包括对病原识别信号通路的研究、Toll样受体活化相关产物的研究等；
2.生物进化研究方面：明确动植物病原识别的途径，了解在物种进化的漫长过程中生物体如何在与病原体的斗争中生存进化；
3.农业生产方面：通过抗病基因的筛选，可培育出抗病能力强的动植物新品系，应用前景广阔；
4.发育生物学方面：了解人类及其它动植物胚胎发育时期腹背侧体轴的形成是否也由这一信号受体家族的活化而决定，由此解释一些胚胎发育中的现象。
作为一个新的受体家族，对它的研究才刚刚起步，但从目前已得出的结论来看，Toll/IL-1R家族必将为科研工作者们提供更广阔的思维空间。
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