На основании современных структурных данных выяснено, что Toll-подобные рецепторы для передачи сигнала образуют гомо — или гетеродимеры.
TLR4 — один из самых сложных рецепторов этого семейства в смысле молекулярной организации — распознает ЛПС, компонент бактериальной стенки грамотрицательных инфекций. Делает это TLR4 с помощью нескольких вспомогательных белков. Один из них, CD 14, — это мембранный белок, который ошибочно считали рецептором ЛПС, так как он действительно имеет к нему высокое сродство. Кроме CD 14, в комплекс с TLR4 входит еще один вспомогательный белок, MD2, который непосредственно и связывается с ЛПС. Таким образом, TLR4 является сигнальной молекулой этого многокомпонентного мембранного комплекса, но его нельзя назвать сенсором. При связывании ЛПС TLR4 и MD2 входят в состав рецепторного комплекса как димеры. Распознавание ЛПС, несомненно, имеет отношение в защитным функциям: мыши с мутантным или нокаутированным геном TLR4 очень чувствительны к некоторым грамотрицательным инфекциям.
В отличие от TLR4, TLR5 — как гомодимер — способен распознать и грамотрицательные, и грамположительные бактерии, узнавая высоко консервативный компонент молекулярного мотора бактерий — флагеллин.
TLR2 интересен тем, что может образовывать функциональные гетеродимеры рецепторов (либо с TLR1, либо с TLR6), причем такие гетеродимеры узнают разные лиганды. Так, комбинация TLR1/2 распознает особый тип липопептидов (BLP — bacterial lipopcptides), который синтезируется только бактериями (как грамположительными, так и грамотрицатсльными). У этих липопептидов три пальмитиновых кислоты связаны с цистеином на N-конце пептида, что отражает механизм процессинга, который существует только у бактерий, его нет у эукариот. Подобных липопептидов в природе много, причем их белковая часть может быть очень разной, но часть, которая распознается, у всех одна и та же (и она находится в месте контакта с мембраной). Т. е. это — еще один пример консервативного молекулярного паттерна патогенов.
Комбинация TLR2/6 распознает липотейхоевые кислоты — другой общий компонент грамположительных бактерий, а также — еще один тип липопептидов, которые есть только у микобактерий и которые вместо трех липидных частей содержат две. Наконец, TLR2/6 распознает еще и зимозан, компонент клеточной стенки некоторых грибковых патогенов. Таким образом, TLR2/6 распознает грамположительные бактерии, микобактерии и грибы, TLR4 — грамотрицательные бактерии, TLR1/2 — все бактерии. Т. е. в принципе уже эти 4 TLR с запасом перекрывают весь бактериальный мир, причем их лиганды являются продуктами уникальных метаболических путей, которых нет у эукариот. Важно, что сами распознаваемые химические структуры абсолютно необходимы для микробов и не могут быть легко утрачены за счет мутаций в попытках адаптироваться к иммунному ответу хозяина.
TLR11, по-видимому, связан с распознаванием бактерий, вызывающих урогенитальные инфекции, хотя конкретный молекулярный микробный паттерн еще не идентифицирован. С другой стороны, этот рецептор связывает чисто белковый лиганд — профилин эукариотического паразита токсоплазмы. Лиганды для TLR10 пока не известны.
Следующая подгруппа TLR включает TLR3,7,8 и 9, которые узнают вирусы. Очевидно, что у небольших вирусов не может быть уникальных метаболических путей, так как вирусы синтезируются в клетках хозяина с помощью биосинтетического аппарата хозяйской клетки. Для распознавания вирусов используется несколько систем рецепторов (в частности, RIG-I-подобные рецепторы, см. ниже), причем из TLR-подобных рецепторов TLR3,7,8 и 9 распознают вирусные нуклеиновые кислоты. Это — весьма нетривиальный выбор распознаваемого лиганда, и необходимо обсудить, как иммунной системе удается избегать реакции на нуклеиновые кислоты клетки-хозяина. Оказалось, что специфичность к вирусной нуклеиновой кислоте достигается, во-первых, специфической локализацией в клетке (компартментализацией) рецепторов и, во-вторых, некоторыми различиями в структуре нуклеиновых кислот вируса и хозяина.
Рецепторы TLR3,7,8 и 9 интересны тем, что они экспрессируются не на поверхности клетки, а во внутриклеточных органеллах, родственных поздним эндосомам и лизосомам, причем лиганд-связывающая часть рецептора «смотрит» внутрь эндосомы, а сигнальный конец направлен в цитоплазму. Таким образом, для распознавания лиганд (и, следовательно, компоненты вирусного патогена) должны находиться в эндосоме, откуда он может активировать рецептор и, как следствие, запустить цепочку сигнальных событий в цитоплазме.
TLR3 распознает двуцепочечную РНК, которая образуется в процессе репликационного цикла большинства вирусов, a TLR7 и 8 распознают одноцепочечную РНК и поэтому участвуют в распознавании только тех вирусов, у которых геном представлен одноцепочечной РНК, например вируса гриппа. Сразу очевидно, что распознавание нуклеиновых кислот не обладает абсолютной специфичностью. И одноцепочечная, и двуцепочечная РНК внутри клетки могут иметь и «хозяйское» происхождение. Считается, что для распознавания TLR3 двуцепочечная РНК должна быть достаточно длинной, а такие молекулы редко встречаются в эукариотической клетке. Поэтому на помощь приходит еще один фактор специфичности — локализация рецептора. Собственные РНК должны находиться либо в ядре, либо в цитоплазме, a TLR3 и TLR7,8 «видят» только то, что находится в эндосомс, куда, как правило, попадают только вирусные нуклеиновые кислоты.
TLR9 узнает двуспиральную ДНК, причем узнает на ней какие-то «паттерны», которые позволяют различать ДНК хозяина и патогена. До конца этот механизм не понят, но известно, что в клетках млекопитающих некоторые «мотивы» нуклеотиднои последовательности, которые содержат повышенные концентрации CpG динуклеотидов, обычно метилированы (по цитозину). Даже если предположить, что у бактерий и вирусов все CpG динуклеотиды остаются неметилиро — ванными, такая дискриминация никак не может быть абсолютной, и поэтому на помощь опять приходит локализация рецепторов: геномная ДНК находится в ядре, в эндосому попадать не должна, и в норме она не доступна для распознавания TLR9. Однако ДНК, которая попадает в эндосому (а такая ДНК может произойти только от вирусов), будет распознаваться.
Возможность активации TLR собственными нуклеиновыми кислотами — напоминание о том, что врожденное иммунное распознавание «свое — чужое» — не абсолютно. В нормальных условиях система «настроена» таким образом, чтобы распознать вирусы, но при этом не вызвать аутоиммунных реакций. Однако в тех редких случаях, когда по каким-то причинам дефектны молекулярные или клеточные процессы, способствующие такому распознаванию, возможен ошибочный ответ иммунной системы.
Структурные исследования пока смогли прояснить молекулярные детали лиганд-рецепторных взаимодействий только для нескольких TLR: TLR3, TLR4, TLR5, TLR2/6. Лейцин-богатые повторы во внеклеточных частях рецепторов (или во внутриэндосомной части — в случае TLR3) образуют характерные подковообразные структуры. В тех кристаллах, которые удалось получить и изучить, рецепторы находятся в димерном состоянии. Интересно, что конфигурации взаимодействующих лигандов (или комплексов лигандов с адаптерными молекулами) совершенно различны (рис. 1). По-видимому, лейцин-богатые повторы создают каркас структуры, но при этом остается достаточное число полипептидных петель между повторами, которые и обеспечивают возможность высокоаффинного взаимодействия с химическими структурами столь различной природы, как нуклеиновые кислоты или липопептиды.
Уже отмечалось, что ЛПС, который «сигналит» через TLR4, находится в комплексе с адаптерным белком MD-2. Так что можно сказать, что истинным лигандом для TLR4 является комплекс ЛПС с MD-2. Учитывая большое разнообразие химических структур, приводящих к активации врожденного иммунитета через TLR-рсцепторы, весьма вероятно, что и в некоторых других взаимодействиях участвуют адаптерные белки. Интересно, что в случае Toll дрозофилы лигандом, связывающимся с рецептором, является не химическая структура из стенки грибковых патогенов, а белок, который образуется в ходе протеолитического расщепления предшественника, что является следствием распознавания грибков. Таким образом, молекулы-сенсоры микробного «чужого» могут быть отделены от сигнальных молекул каскадом биохимических реакций или последовательностью взаимодействий. Хотя в других случаях молекула TLR может быть и сенсором, и сигнальным рецептором.
Считается, что некоторые TLR и другие паттери-распознающие рецепторы могут сигналить в ответ на лиганды немикробного происхождения. Примером такого эндогенного лиганда является гиалуроновая кислота. Обсуждается и исследуется вопрос о существовании эндогенных (т. е. происходящих из клетки-хозяина) лигандов для TLR, в частности, для TLR4 и 2. Например, было показано связывание с этими рецепторами белков теплового шока (БТШ). С другой стороны, известно, что БТШ способны с высокой аффинностью связывать другие молекулы (в том числе, образующиеся из патогенов), которые и могли бы быть истинными лигандами для Toll-подобных рецепторов.