トール様受容体

Toll様受容体（TLR ）は、自然免疫系において重要な役割を果たすタンパク質のクラスです。これらは、通常マクロファージや樹状細胞などの監視細胞に発現する単一膜貫通型受容体であり、微生物由来の構造的に保存された分子を認識します。これらの微生物が皮膚や腸管粘膜などの物理的障壁に到達すると、TLRによって認識され、免疫細胞の応答が活性化されます。TLRには、 TLR1、TLR2、TLR3、TLR4、TLR5、TLR6、TLR7、TLR8、TLR9、TLR10、TLR11、TLR12、およびTLR13が含まれます。ヒトはTLR11、TLR12、およびTLR13の遺伝子を欠いており^{[ 1 ]}、マウスはTLR10の機能的な遺伝子を欠いています。^{[ 2 ]} TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6、TLR10受容体は細胞膜上に存在し、TLR3、TLR7、TLR8、TLR9受容体は細胞内小胞内に存在する（核酸のセンサーであるため）。^{[ 3 ]}

TLRは、 toll遺伝子によってコードされるタンパク質との類似性からその名が付けられました。^{[ 4 ]}

免疫系が病原体に広く共通する分子を認識する能力は、樹状細胞、マクロファージ、ナチュラルキラー細胞、適応免疫のT細胞、B細胞などの白血球、および非免疫細胞（上皮細胞、内皮細胞、線維芽細胞）の膜上に発現するトール様受容体（TLR）と呼ばれる免疫受容体の存在による部分が大きい。^{[ 5 ]}

ワクチン接種で使用されるアジュバントの形、または自然感染時の侵入性分子の形のいずれかでリガンドがTLRに結合すると、最終的に自然免疫応答と抗原特異的獲得免疫の発達につながる重要な分子イベントが起こります。^{[ 6 ] [ 7 ]}

活性化されると、TLRは免疫細胞の細胞質内にアダプタータンパク質（他のタンパク質間相互作用を媒介するタンパク質）をリクルートし、抗原誘導シグナル伝達経路を伝播します。これらのリクルートされたタンパク質は、シグナルをさらに増幅し、最終的に炎症反応やその他の転写イベントを統制する遺伝子のアップレギュレーションまたは抑制につながるタンパク質キナーゼ（IKKi、IRAK1、IRAK4、およびTBK1 ）を含む他の下流タンパク質の活性化に関与します。これらのイベントの一部はサイトカイン産生、増殖、および生存につながり、その他は適応免疫の増強につながります。^{[ 7 ]}リガンドが細菌因子である場合、病原体は貪食されて消化され、その抗原はCD4+ T細胞に提示される可能性があります。ウイルス因子の場合、感染した細胞はタンパク質合成を停止し、プログラム細胞死（アポトーシス）を起こす可能性があります。ウイルスを検出した免疫細胞は、インターフェロンなどの抗ウイルス因子を放出することもある。

トール様受容体は、樹状細胞に存在することで、自然免疫系と獲得免疫系をつなぐ重要な役割も担っていることが示されている。^{[ 8 ]} TLR5リガンドであるフラジェリンは、ヒトT細胞上のTLR5と相互作用することでサイトカイン分泌を誘導する。^{[ 8 ]}

TLRはパターン認識受容体（PRR）の一種であり、病原体間で広く共有されているが宿主分子とは区別できる分子（総称して病原体関連分子パターン（PAMP）と呼ばれる）を認識します。TLRは外因性PAMPの認識に加えて、熱ショックタンパク質（HSP）や細胞膜構成成分などの内因性損傷関連分子パターン（DAMP）にも結合することができます。^{[ 9 ]} TLRはインターロイキン-1受容体とともに、「インターロイキン-1受容体/トール様受容体スーパーファミリー」として知られる受容体スーパーファミリーを形成し、このファミリーのすべてのメンバーは、いわゆるTIR（トール-IL-1受容体）ドメインを共通して持っています。

TIRドメインには3つのサブグループが存在する。サブグループ1のTIRドメインを持つタンパク質は、マクロファージ、単球、樹状細胞によって産生されるインターロイキンの受容体であり、すべて細胞外免疫グロブリン（Ig）ドメインを持つ。サブグループ2のTIRドメインを持つタンパク質は古典的なTLRであり、微生物由来の分子に直接的または間接的に結合する。TIRドメインを含むタンパク質の3番目のサブグループは、細胞質にのみ存在し、サブグループ1および2のタンパク質からのシグナル伝達を媒介するアダプタータンパク質である。

TLRは脊椎動物だけでなく無脊椎動物にも存在する。TLRの分子構成要素は細菌や植物にも見られ、植物のパターン認識受容体は感染に対する宿主防御に不可欠であることがよく知られている。したがって、TLRは免疫系の中で最も古くから保存されている構成要素の一つであると考えられる。

近年、TLRは哺乳類の神経系でも同定されている。TLRファミリーのメンバーは、グリア細胞、ニューロン、神経前駆細胞で検出され、細胞運命決定を制御している。^{[ 10 ]}

ほとんどの哺乳類種は、10～15種類のトール様受容体を持っていると推定されている。ヒトとマウスを合わせて13種類のTLR（単にTLR1～TLR13と命名）が同定されており、これらの多くに相当する形態が他の哺乳類種にも見つかっている。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}しかし、ヒトに見られる特定のTLRに相当するものがすべての哺乳類に存在するわけではない。例えば、ヒトのTLR10に類似したタンパク質をコードする遺伝子はマウスに存在するが、過去のある時点でレトロウイルスによって損傷を受けたようである。一方、マウスはTLR11、12、13を発現するが、これらはヒトには存在しない。他の哺乳類は、ヒトには見られないTLRを発現する可能性がある。他の非哺乳類種は、哺乳類とは異なるTLRを持っている可能性があり、これはトラフグに見られる抗細胞壁TLR14によって実証されている。^{[ 14 ]}これは、実験動物をヒトの自然免疫のモデルとして使用するプロセスを複雑にする可能性がある。

脊椎動物のTLRは類似性に基づいてTLR 1/2/6/10/14/15、TLR 3、TLR 4、TLR 5、TLR 7/8/9、およびTLR 11/12/13/16/21/22/23のファミリーに分類される。^{[ 14 ]}

ショウジョウバエの免疫におけるTLR

免疫におけるトールシグナル伝達の関与は、ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）で初めて実証された。^{[ 19 ]}ショウジョウバエは自然免疫応答のみを有するため、適応免疫機構がシグナル伝達に干渉するのを避けることができる。ショウジョウバエの真菌または細菌感染に対する応答は、2つの異なるシグナル伝達カスケードを介して起こり、そのうちの1つはトール経路、もう1つは免疫不全経路である。トール経路は哺乳類のTLRシグナル伝達に似ているが、哺乳類のTLRとは異なり、トールは病原体関連分子パターン（PAMP ）によって直接活性化されない。その受容体の細胞外ドメインは、不活性な二量体前駆体として血リンパに分泌されるサイトカインspätzleの切断型を認識する。トール受容体は細胞質TIRドメインを哺乳類のTLRと共有しているが、細胞外ドメインと細胞質内尾部は異なる。この違いは、これらの受容体がPRRではなくサイトカイン受容体として機能していることを反映しているのかもしれない。

Toll経路は、グラム陽性細菌、真菌、病原性因子などのさまざまな刺激によって活性化されます。^{[ 17 ] [ 20 ]}まず、感染に応答してSpätzle処理酵素（SPE）が活性化され、spätzle（spz）を切断します。切断されたspätzleは、Toll受容体に結合し、その細胞外ドメインを架橋します。これにより、受容体の構造変化が引き起こされ、Tollを介したシグナル伝達が起こります。この時点から、シグナル伝達カスケードは、哺乳類のTLRを介したシグナル伝達と非常によく似ています。Toll誘導シグナル伝達複合体（TICS）は、MyD88、Tube、およびPelle（哺乳類のIRAKのオルソログ）で構成されています。 TICSからのシグナルはCactus（哺乳類のIκBの相同体）に伝達され、リン酸化されたCactusはポリユビキチン化されて分解され、DIF（背側関連免疫因子；哺乳類のNF-κBの相同体）の核内移行とドロソマイシンなどの抗菌ペプチド（AMP）の遺伝子の転写誘導を可能にする。^{[ 21 ]}

ショウジョウバエには合計9つのTollファミリー遺伝子と6つのspzファミリー遺伝子があり、これらは異なる程度で互いに相互作用する。^{[ 22 ]}

Toll様受容体は、さまざまなリガンドに結合して活性化され、これらのリガンドは、さまざまな種類の生物や構造上に存在します。また、活性化に応答するためのさまざまなアダプターを持ち、細胞表面に存在する場合もあれば、細胞内部の区画に存在する場合もあります。^{[ 26 ]}さらに、さまざまな種類の白血球やその他の細胞によって発現されます。

トール様受容体（およびその他の自然免疫受容体）は特異性が高いため、進化の過程で容易に変化することはありません。これらの受容体は、常に脅威（病原体や細胞ストレスなど）と関連付けられている分子を認識し、これらの脅威に対して非常に特異的です（つまり、生理的条件下で通常発現する自己分子と間違えられることはありません）。この要件を満たす病原体関連分子は、病原体の機能に不可欠であり、突然変異によって変化しにくいと考えられており、進化的に保存されていると言われています。病原体である程度保存されている特徴としては、細菌の細胞表面リポ多糖（LPS）、リポタンパク質、リポペプチド、リポアラビノマンナン、細菌の鞭毛由来のフラジェリンなどのタンパク質、ウイルスの二本鎖RNA 、細菌およびウイルスDNAの非メチル化CpGアイランド、真核生物DNAのプロモーターに見られるCpGアイランド、およびその他の特定のRNAおよびDNA分子などが挙げられます。 TLRリガンドはほとんどの病原体に存在するため、病原体由来のワクチン（MMR、インフルエンザ、ポリオワクチンなど）にも存在する可能性があります。市販されているほとんどのワクチンは、固有のTLRリガンドが免疫細胞の異なるサブセットを活性化する能力について評価されています。^{[ 46 ] [ 47 ]}ほとんどのTLRについては、リガンド認識特異性が遺伝子ターゲティング（「遺伝子ノックアウト」とも呼ばれる）によって確立されています。これは、マウスで個々の遺伝子を選択的に削除できる技術です。^{[ 48 ] [ 49 ]}既知のTLRリガンドの概要については、上記の表を参照してください。

TLRは二量体として機能すると考えられている。ほとんどのTLRはホモ二量体として機能するようだが、TLR2はTLR1またはTLR6とヘテロ二量体を形成し、それぞれの二量体は異なるリガンド特異性を持つ。TLRは、完全なリガンド感受性を得るために他の共受容体にも依存する可能性があり、例えばTLR4によるLPSの認識にはMD-2が必要である。CD14とLPS結合タンパク質（LBP）は、LPSをMD-2に提示するのを促進することが知られている。

TLR3、TLR7、TLR8、TLR9からなるエンドソームTLR群は、ウイルス由来の核酸だけでなく、病原性事象に関連する内因性核酸も認識する。これらの受容体が活性化されると、炎症性サイトカインやI型インターフェロン（インターフェロンI型）が産生され、ウイルス感染との闘いを助ける。

TLRシグナル伝達を媒介するアダプタータンパク質とキナーゼも標的とされてきた。さらに、ENUを用いたランダム生殖細胞変異誘発法がTLRシグナル伝達経路の解明に用いられてきた。活性化されたTLRは、細胞質内のアダプター分子をリクルートしてシグナルを伝達する。シグナル伝達に関与するアダプター分子は4つ知られている。これらのタンパク質は、MyD88、TIRAP（Malとも呼ばれる）、TRIF、およびTRAM（TRIF関連アダプター分子）として知られている。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}

TLRシグナル伝達は、MyD88依存性経路とTRIF依存性経路という2つの異なるシグナル伝達経路に分けられる。

イミキモド（主に皮膚科で使用される）はTLR7アゴニストであり、その後継薬であるレシキモドはTLR7およびTLR8アゴニストである。^{[ 54 ]}最近、レシキモドは腫瘍関連マクロファージの刺激を介して作用する癌免疫療法の薬剤として研究されている。 ^{[ 55 ]}

いくつかのTLRリガンドはワクチンアジュバントとして臨床開発中または動物モデルで試験されており、^{[ 56 ]} 2017年にはモノホスホリルリピドA成分を含む組換え帯状疱疹ワクチンでヒトへの最初の臨床使用が行われた。

口蹄疫の自然発生における乳牛のTLR7メッセンジャーRNA発現レベルが報告されている。^{[ 57 ]}

TLR4は、オピオイドの長期的な副作用に重要であることが示されている。その活性化は、TNF-αやIL-1βなどの炎症性調節因子の下流放出につながり、これらの調節因子の持続的な低レベル放出は、時間の経過とともにオピオイド薬物治療の有効性を低下させると考えられており、オピオイド耐性^{[ 58 ] [ 59 ]} 、痛覚過敏、アロディニア^{[ 60 ] [ 61 ]}に関与している。モルヒネ誘発性TLR4活性化は、オピオイドによる疼痛抑制を弱め、オピオイド耐性および依存症、薬物乱用、呼吸抑制や痛覚過敏などのその他の負の副作用の発現を促進する。^{[ 62 ]} TNF-αまたはIL-1βの作用を阻害する薬剤は、オピオイドの鎮痛効果を高め、耐性やその他の副作用の発現を減少させることが示されており、^{[ 63 ] [ 64 ]}これはTLR4自体を阻害する薬剤でも実証されています。

(+)-モルヒネや(+)-ナロキソンなどのオピオイド薬の「非天然」エナンチオマーはオピオイド受容体への親和性を持たないが、TLR4では「通常」のエナンチオマーと同じ活性を示す。^{[ 65 ] [ 66 ]}そのため、(+)-ナロキソンなどのオピオイドの「非天然」エナンチオマーは、μ-オピオイド受容体への親和性を持たないオピオイド鎮痛薬のTLR4活性を阻害するために使用できる。^{[ 67 ] [ 66 ] [ 68 ]}

微生物が感染症の原因として初めて認識されたとき、多細胞生物は感染時に微生物を認識できなければならず、したがって微生物特有の分子を認識できなければならないことはすぐに明らかになった。過去1世紀の大半にわたる膨大な文献は、重要な分子とその受容体の探索を証明している。100年以上前、ロベルト・コッホの弟子であったリチャード・ファイファーは、実験動物に発熱やショックを引き起こすグラム陰性菌によって産生される物質を説明するために「エンドトキシン」という用語を作り出した。その後数十年の間に、エンドトキシンは化学的に特徴づけられ、ほとんどのグラム陰性菌によって産生されるリポ多糖（LPS）であることが特定された。このリポ多糖はグラム陰性菌の膜の不可欠な部分であり、細菌が破壊されると放出される。他の分子（細菌リポペプチド、フラジェリン、非メチル化DNA）は、通常は防御的な宿主応答を引き起こすことが示された。しかし、これらの反応が過度に長引いたり激しすぎたりすると、有害となる可能性がある。このような分子に対する受容体が存在し、宿主に感染の存在を知らせることができるはずだと論理的に考えられたが、それらは長年にわたり見つからなかった。現在では、トール様受容体が、微生物感染の存在を免疫系に知らせる重要な分子の一つとして数えられている。

このファミリーのプロトタイプである、ショウジョウバエ（ Drosophila melanogaster）のトール受容体（P08953 ; Tl）は、1985年に1995年のノーベル賞受賞者であるクリスティアーネ・ニュスライン＝フォルハルトとエリック・ヴィーシャウスらによって発見された。この受容体は、胚発生において背腹軸を確立する発生機能を持つことで知られていた。その名前は、クリスティアーネ・ニュスライン＝フォルハルトが1985年にショウジョウバエの幼虫の未発達な腹側部分について「Das ist ja toll !」（「すごい！」）と感嘆したことに由来する。^{[ 4 ]} 1988年にキャスリン・アンダーソンの研究室でクローン化された。^{[ 69 ]} 1996年、ジュールズ・A・ホフマンとその同僚は、トールが抗菌ペプチドの合成を活性化することで、ハエの真菌感染に対する免疫において重要な役割を果たしていることを発見した。^{[ 19 ]}

最初に報告されたヒトのトール様受容体は、1994 年に野村らによって記述され、^{[ 70 ]} 1996 年に田口らによって染色体にマッピングされた。^{[ 71 ]}当時、ショウジョウバエのトールの免疫機能は知られていなかったため、TIL (現在はTLR1として知られている) が哺乳類の発生に関与している可能性があると考えられた。しかし、1991 年 (TIL の発見以前) に、哺乳類の免疫機能において明確な役割を持つ分子であるインターロイキン-1 (IL-1) 受容体もショウジョウバエのトールと相同性があることが観察された。両分子の細胞質部分は類似していた。^{[ 72 ]}

1997年、チャールズ・ジェーンウェイとルスラン・メジトフは、現在TLR4として知られるトール様受容体が、抗体を用いて人工的に結合されると、適応免疫応答を開始するために必要な特定の遺伝子の活性化を誘導できることを示した。^{[ 7 ]} LPS感知受容体としてのTLR4の機能は、ブルース・A・ビュートラーらが発見した。^{[ 73 ]}これらの研究者らは、位置クローニングを用いて、LPSに反応できないマウスがTLR4の機能を消失させる変異を持っていることを証明した。これにより、TLR4がLPS受容体の主要構成要素の1つであることが明らかになった。

一方、他のTLR遺伝子は、主に明静雄氏らの研究室で遺伝子ターゲティングによってマウスから除去された。現在では、各TLRは、微生物由来のものや細胞損傷の産物など、特定の分子群を検出し、感染の存在を知らせると考えられている。^{[ 74 ]}

植物におけるトールの相同体は、1995年にパメラ・ロナルド（イネXA21） ^{[ 75 ]}、2000年にトーマス・ボラー（シロイヌナズナFLS2）^{[ 76 ]}によって発見された。

2011年、ビュートラーとホフマンは、その業績によりノーベル生理学・医学賞を受賞した。^{[ 77 ]}ホフマンとアキラは、 2011年にカナダ・ガードナー国際賞を受賞した。 ^{[ 78 ]}

• NOD様受容体
• 免疫補助剤
• RIG-I様受容体

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるToll様受容体
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるTollタンパク質、ショウジョウバエ
• TollML：ミュンヘン大学（LMU）のToll様受容体およびリガンドデータベース
• トール様受容体ファミリーの自然免疫受容体（PDF）
• トール様受容体経路
• バイオサイエンスアニメーション