IRAK-4在白介素-1受體/Toll樣受體(IL-1R/TLRs)介導(dǎo)的炎癥信號通路中的關(guān)鍵作用

李 帆，芮耀誠

(第二軍醫(yī)大學(xué)藥理學(xué)教研室，上海 200433)

·綜述·

IRAK-4在白介素-1受體/Toll樣受體(IL-1R/TLRs)介導(dǎo)的炎癥信號通路中的關(guān)鍵作用

李 帆，芮耀誠

(第二軍醫(yī)大學(xué)藥理學(xué)教研室，上海 200433)

白介素-1受體相關(guān)激酶4(interleukin-1 receptor-associated kinase 4；IRAK-4)是近年來發(fā)現(xiàn)的參與機(jī)體先天性免疫反應(yīng)過程中的關(guān)鍵分子。它與另外3個成員IRAK-1、IRAK-2、IRAK-M同屬于IRAK家族，目前經(jīng)過對IRAK-4分子的激酶活性以及其對炎癥反應(yīng)的正向和負(fù)向的調(diào)控作用的研究表明，IRAK-4分子聯(lián)系著上下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在TLRs/IL-1R介導(dǎo)的炎癥信號通路中的作用更為關(guān)鍵。本文就IRAK-4分子的活性、以及IRAK-4分子在TLRs/IL-1R介導(dǎo)的炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用作一綜述。以期設(shè)計(jì)出針對IRAK-4特異性的藥物，或者通過基因治療手段干預(yù)IRAK-4表達(dá)，為感染控制提供新的思路，開發(fā)出新的抗炎藥物。

白介素-1受體相關(guān)激酶4(IRAK-4)；TLRs/IL-1R信號通路；激酶活性

1 IRAK家族及IRAK-4的激酶活性

白介素-1受體相關(guān)激酶(interleukin-1 receptor-associated kinase，IRAK)家族共有4個成員：IRAK-1、IRAK-2、RAK-4、IRAK-M。其中IRAK-1、IRAK-4在IL-1R/TLR(白介素-1受體/Toll樣受體)介導(dǎo)的炎癥信號通路起正向調(diào)節(jié)作用，IL-1R/TLR與配體結(jié)合以后，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活下游炎癥因子的表達(dá)。有研究證明，IRAK-1基因敲除小鼠的IL-1R/TLR信號通路被部分阻斷，但仍然可以激活下游炎癥因子表達(dá)，引發(fā)炎癥反應(yīng)，推測可能有另外的信號旁路被激活，彌補(bǔ)了IRAK-1的缺失；但I(xiàn)RAK-4基因敲除小鼠的IL-1R/TLR信號通路被嚴(yán)重阻斷，不能激活下游的信號通路，這就說明，相對于IRAK-1，IRAK-4分子在IL-1R/TLR信號通路中的作用更為關(guān)鍵，是不可或缺的。該家族的另外兩個成員：IRAK-2、IRAK-M則主要起負(fù)向調(diào)節(jié)作用，IRAK-M 主要調(diào)節(jié)TLR信號，抑制IRAK-4和IRAK-1解離或者抑制IRAK-1的磷酸化。而IRAK-2主要調(diào)節(jié)IL-1信號，降低LPS誘導(dǎo)的肥大細(xì)胞凋亡。

IRAK-4作為IRAK家族中最重要的一種激酶，其主要的功能就是將底物磷酸化。 Rekhter等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在HEK293細(xì)胞中過表達(dá)激酶失活型的IRAK4與野生型相比，不能激活NF-κB，阻斷了IL-1β和IL-8的產(chǎn)生；Kim等[2]也證明了在小鼠模型中，IRAK-4的激酶活性對于IL-1β介導(dǎo)的信號通路是必不可少的；激酶失活的IRAK-1、IRAK-2 或IRAK-M仍能激活NF-κB，而激酶失活的IRAK-4則明顯抑制了IL-1誘導(dǎo)的NF-κB的激活[3]。以上的研究提示，IRAK-4的激酶活性是IL-1R/TLR介導(dǎo)的信號通路中所必需的，而且比家族中其它成員更為重要。同時又有矛盾的文獻(xiàn)報道，如Qin等[4]在IRAK-4缺失的人成纖維細(xì)胞中，轉(zhuǎn)染激酶失活的IRAK-4，卻能夠完全恢復(fù)IL-1β誘導(dǎo)的NF-κB及AP-1的激活以及IL-8的產(chǎn)生；在人內(nèi)皮細(xì)胞中只有用RO0884同時抑制IRAK-4和IRAK-1以后，才可以阻斷p38和JNK的激活以及細(xì)胞因子的產(chǎn)生[5]。所以，這種理論認(rèn)為，IRAK-4的激酶活性對IL-1R/TLR介導(dǎo)的信號通路并非必需。為何會出現(xiàn)兩種截然不同的結(jié)論,目前的看法是:可能與實(shí)驗(yàn)所采用的不同細(xì)胞種屬相關(guān)，其具體的機(jī)制還有待更深一步的研究證實(shí)。但至少有一點(diǎn)可以肯定，那就是IRAK-4的激酶活性在IL-1R/TLRs介導(dǎo)的最佳炎癥信號通路是必須的。

另外，有研究證明，IRAK-4分子也參與了機(jī)體的免疫耐受。在小鼠RAW.264細(xì)胞中，用LPS刺激以后會引起IRAK-4分子的降解而不影響其mRNA水平[6]。IRAK-4的降解伴隨著一個小分子量蛋白(32 kD)的出現(xiàn)，也同樣可以被IRAK-4的抗體識別，認(rèn)為可能是IRAK-4被某種蛋白酶水解下來的C末端區(qū)。隨著IRAK-4的降解，IRAK-1的激活、IκB，κBα的磷酸化也減慢[7]。這種理論認(rèn)為，在用IL-1R/TLRs的配體，如LPS延長或反復(fù)刺激后，會使細(xì)胞發(fā)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過降解炎癥信號通路中上游的關(guān)鍵分子來防止炎癥反應(yīng)的擴(kuò)大，對機(jī)體起到了正性的保護(hù)作用。

2 TLRs/IL-1R介導(dǎo)的信號通路[8]及IRAK-4的關(guān)鍵性作用

在微生物病原體引發(fā)的先天性免疫反應(yīng)中，Toll樣受體(TLRs)是一種非常重要的分子模式受體。而IL-1受體(IL-1R)在炎癥反應(yīng)放大過程中也發(fā)揮了很重要的作用，這兩種受體的跨膜蛋白在胞漿內(nèi)的結(jié)構(gòu)域具有同源性，現(xiàn)在的研究證明，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，都是依賴一種髓系分化因子88(MyD88)作為調(diào)節(jié)分子激活下游的炎癥信號通路(TLR3是TLR家族中唯一不依賴MyD88進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體)。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IRAK-4，IRAK-4通過自身磷酸化反應(yīng)，發(fā)揮激酶活性，激活其底物IRAK-1，IRAK-1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TNF受體相關(guān)因子6 ( tumor necrosis factor receptor associated factor 6, TRAF6 ) 形成復(fù)合物，導(dǎo)致TRAF-6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β活化激酶和NF-κB誘導(dǎo)激酶(NIK)，NIK隨即活化IκB激酶( IKK)復(fù)合物，IKK復(fù)合物進(jìn)而磷酸化IκB，磷酸化的IκB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)。TRAF-6還可通過另外一條途徑激活絲裂原活化蛋白激酶( p38 mitogen-activated protein kinase，MAPK)引起轉(zhuǎn)錄因子c-Jun NH2-terminal kinase(JNK)的活化。

圖1 IL-1R/TLR介導(dǎo)的炎癥信號通路

因此可以看出，MyD88和TRAF6是共同信號通路中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)接蛋白，而MyD88 與TRAF6之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)需要IRAK4介導(dǎo)。

另外一種MyD88非依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路則是通過調(diào)節(jié)蛋白TRIF直接與TLR3結(jié)合，激活NF-κB和IRF-3誘導(dǎo)IFN-β的產(chǎn)生。

所有的IRAKs都是多區(qū)域蛋白, 含一個保守的死亡結(jié)構(gòu)域( death domain，DD)的N末端和C末端的一個中央激酶結(jié)構(gòu)域( central kinase domain，KD)[9]。KD區(qū)由12個亞區(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IRAK-1和IRAK-4被證明具有激酶活性，而IRAK-4是這個家族中唯一一個與Drosophila IRAK樣激酶Pelle最具同源性的分子[10]。如前所述，雖然IRAK-4的激酶活性由于具有種屬特異性，在介導(dǎo)TLRs/IL-1R信號通路的機(jī)制方面還有待進(jìn)一步研究，但I(xiàn)RAK-4的死亡結(jié)構(gòu)域的作用則更加明確。IRAK-4并不和IRAK-1以外的其他IRAK分子相作用，并且必須有MyD88 參與下IRAK-4才能匯聚到TLR / IL-1R復(fù)合物，并和IRAK-1緊密接觸。IRAK-4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IRAK-1分子磷酸化，也就阻斷了下游的信號通路。由此可見，IRAK-4的死亡結(jié)構(gòu)域在發(fā)揮分子識別、激活下游信號通路起到了相當(dāng)重要的作用。IRAK-4晶體結(jié)構(gòu)的確認(rèn)就為其激酶活性的調(diào)節(jié)提供了很有價值的信息，同時也為設(shè)計(jì)強(qiáng)大而特異的IRAK-4抑制劑提供了分子和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[11]。

3 IRAK-4與疾病

人類IRAK-4基因(EMBL/Genbank accession NO.NM_016123)位于X染色體p11.12區(qū)，編碼52 KD的蛋白質(zhì)，盡管人類IRAK-4在很多組織均可以表達(dá)，但主要分布于肝和腎臟組織。因此，IRAK-4的功能可能與人類的很多重大疾病息息相關(guān)。

Rekhter等[1]證明了基因敲除IRAK-4的激酶活性可以抑制血管病變，如動脈粥樣硬化的形成。IRAK-4的功能缺陷，可以下調(diào)炎癥因子前體的表達(dá)，抑制巨噬細(xì)胞的浸潤，減少平滑肌細(xì)胞的脂質(zhì)堆積，從而減小動脈粥樣硬化斑塊的大小，有效地改善血管病變。T細(xì)胞表面TLR與配體結(jié)合以后，IRAK-4分子可以募集到T細(xì)胞的脂伐上，與Zap70偶聯(lián)，激活PKC，從而誘發(fā)下游的信號通路，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子NF-κB表達(dá)，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生，表明IRAK-4直接參與了機(jī)體天然免疫和獲得性免疫的信號網(wǎng)絡(luò)[12]。

表達(dá)于主動脈血管平滑肌細(xì)胞(ASMC)的趨化因子CXCL16可以誘導(dǎo)ASMC的黏附和增殖，IL-18可以通過IRAK-4參與的TLR/IL-1R信號通路，上調(diào)ASMC的CXCL16的轉(zhuǎn)錄，從而激活下游MAPK，促使AP-1轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，為動脈粥樣硬化、血管形成后的動脈再狹窄提供了一種新的信號偶聯(lián)途徑[13]。

IRAK-4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)而外，另外也有研究發(fā)現(xiàn)，IRAK-4過表達(dá)可以增強(qiáng)LPS誘導(dǎo)的NADPH氧化酶活性[14]，主要是通過IRAK-4磷酸化P47phox，從而激活NADPH氧化酶，誘導(dǎo)下游的p38MAPK的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。這就將IRAK-4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，而是廣泛參與了細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性調(diào)節(jié)。

4 IRAK-4分子的研究應(yīng)用前景

IRAK-4有著不同于IRAK家族中其它蛋白的特點(diǎn)：過表達(dá)IRAK-4并不會引起NF-κB的強(qiáng)烈激活，可能是由于體內(nèi)還存在有另外一種負(fù)反饋機(jī)制，如IRAK-4被蛋白水解酶水解為小分子，IRAK-M、IRAK-2的激活等，都可以負(fù)向調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)瀑布，保護(hù)機(jī)體以防過度損傷。體外激酶失活型的IRAK-4足以抑制IL-1誘導(dǎo)的NF-κB激活。相反，相應(yīng)地突變IRAK-1、IRAK-2、IRAK-M卻沒有如此強(qiáng)大的負(fù)向作用。這些結(jié)果都表明，IRAK-4作為TIR 信號通路中的一個重要連接體，在炎癥的發(fā)動和調(diào)節(jié)中起著非常重要作用，充分研究其調(diào)控機(jī)制對感染性和炎性疾病意義重大，但目前尚有很多不清楚的地方，IRAK-4對機(jī)體LPS 的耐受機(jī)制、預(yù)防等也還在進(jìn)一步的研究中?，F(xiàn)階段，IRAK-4的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)闡明，可以由此設(shè)計(jì)出針對IRAK-4特異性的藥物，或者通過基因治療手段干預(yù)IRAK-4表達(dá)，阻斷IRAK-4激酶活性或者阻礙與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，在缺陷IRAK-4的細(xì)胞內(nèi)表達(dá)IRAK-4 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。

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2010-09-20

[修回日期] 2010-10-21

ThekeyfunctionofIRAK-4intheinflammationsignalpathwaymediatedbyToll-likereceptors

LI Fan，RUI Yao-Cheng

(Department of Pharmacology, The Second Military Medical University, Shanghai 200433，China)

interleukin-1 receptor-associated kinase 4 (IRAK-4) is a key molecular which participates in the innate immune processes. It belongs to the IRAK family with the other three members: IRAK-1, IRAK-2, and IRAK-M. However, It has been found that IRAK-4 plays a more important role in the inflammatory signal pathway mediated by TLRs/IL-1Rs through the deep investigation of the IRAK-4 kinase activity and the positive/negative regulation mechanism of the inflammatory reactions. The activities of IRAK-4 and the crucial function of IRAK4 in the TLRs/IL-1Rs mediated pathways of inflammatory signal transmission were summarized.

IRAK-4, TLRs/IL-1R signal pathway, kinase activity

李 帆(1986-)，女，碩士研究生.Tel：13764598652,E-mail:jakoyu@163.com.

芮耀誠.E-mail:ruiyc163@163.com.

R966

A

1006-0111(2011)01-0001-04