硬骨鱼类的Toll样受体:从基因组到功能
原文来源：Yniv Palti. Toll-like receptors in bony fish: From genomics to function[J]. Dev Comp Immunol. 2011, 35: 1263-1272.
非特异性免疫是通过多种种系编码的模式识别受体（Pattern recognition receptor，PRR）识别侵入体内的外源分子，为机体提供直接、快速的免疫应答，在感染早期发挥重要作用。PRR分为膜结合受体TLR和可溶性受体C3，凝集素等。研究表明，固有免疫主要归功于Toll样受体（Toll-like receptor ，TLR）对病原相关分子模式（Pathogen-associated molecular pattern ，PAMP）的识别作用。PAMP是微生物所具有的某些高度保守的结构，包括细菌脂多糖（LPS）、肽聚糖（PGN）、鞭毛蛋白、非甲基化CpG DNA、病毒双链RNA（dsRNA）以及葡聚糖等。通过识别与病原相关的分子模式（PAMPs），TLR 触发促炎性和抗病原体的信号转导途径，最终消除入侵的病原体。
TLRs是首次在果蝇中发现的一类细胞膜蛋白，参与果蝇胚胎发育时背腹极性的建立，随后又在人类和其他哺乳动物中发现了很多TLR家族蛋白。目前在人类中已经发现了10种TLR家族成员（TLR1-10），哺乳动物中已发现13种（TLR1-13），而在鱼类中现已发现至少19种（TLR1-5，5S，7-9，13-14，18-23，25-26）。TLR家族成员属Ⅰ型跨膜受体蛋白，结构分为胞外区、跨膜区和胞质区。胞外区的N末端是一个富含亮氨酸的结构域（LRR），胞内区的C末端是一个Toll/IL-1受体结构域（TIR）。LRR结构域负责识别配体，而TIR结构域则负责募集接头分子，此外，TIR结构域还与TLR在细胞内的定位有关。在哺乳动物中已发现的接头分子有：一种髓样分化蛋白MyD88；MAL（类MyD88接头蛋白，TIRAP），TRIF（含TIR结构域诱导产生TFN-β的接头蛋白）或TICAM-1（含有TIR结构域的接头分子1）；TRAM（TRIF相关接头分子）或TICAM-2；SARM（sterile a and HEAT-Armadillo motifs） ，这些接头分子结构上的共同点是都具有一个TIR结构域。TLR通过募集结合不同的接头分子，激活NF-κB，IRF等不同的转录因子，引起多种与免疫有关基因的转录与表达，分泌促炎性细胞因子包括白细胞介素（IL），肿瘤坏死因子（TNF）和Ⅰ型干扰素（IFN）分子等，从而对病原产生不同的免疫应答。除了TLR3，哺乳动物的TLR几乎全部依赖MyD88信号转导通路。鱼类的TLR主要依赖MyD88或TRIF信号转导通路，诱导转录因子NF-κB和干扰素调节因子的表达启动固有免疫和适应性免疫而抵御病原入侵。
人类中已鉴定出两种主要的TLR亚家族。TLR1、2、4、5、6和10是细胞表面亚家族的成员，识别微生物油脂、糖类和蛋白质组。TLR3、7、8和9是核苷酸感
应亚家族的成员，识别来自病毒或细菌的核苷酸衍生物。核苷酸TLRs定位在细胞内的很多隔间中。在小鼠中发现了3种人类基因组中丢失的TLR基因，TLR11、12和13，在这3种基因中，到目前为止只有TLR11的一种配体被确认。它的配体是来自于一种寄生虫的抑制蛋白，这表明TLR11也是一种细胞表面受体。
硬骨鱼类被认为拥有一个原始的免疫系统，与哺乳动物的先天性和适应性防御机制相比，有很大的科研价值。它们代表了几乎半数的脊椎动物物种，因此形成了脊椎动物最大的也是最多样性的种群。鱼类TLRs的主要特点以及信号级联反应中相关的因子都与哺乳动物的TLR系统在结构上有很高的相似性。然而，鱼类的TLR也表现出很不一样的特点和很大的多样性，这些似乎来源于它们多样性的进化史和它们生活的很不一样的环境。
根据报道的已知全长预测的氨基酸序列的相似性比较和系统进化分析，在鱼类中鉴定出了8个主要的TLR分支。TLR2分支，包括TLR1、TLR2和TLR14；TLR3分支；TLR4b分支；TLR5分支，包括TLR5M和TLR5S；TLR7分支包括TLR7和TLR8；TLR9分支；TLR21分支包括TLR19、TLR20和TLR21；TLR22分支包括TLR22和TLR23。其中，TLR5S以及TLR21分支和TLR22分支在哺乳动物中并未发现，属于鱼类所特有的。
基因组和基因的复制是硬骨鱼类进化史和基因组多样性的主要原因，但是鱼类生物学家们在研究中用基因组学工具的时候却经常忽视这个问题。2R基因组复制假说认为，在5-8亿年前，原始的脊椎动物基因组复制了两次，一次是在七鳃鳗世系分化之前，一次紧接其后。第二次四倍化似乎发生在脊椎动物亚门里，并且与口的发生相一致。这些现象的证据可以在某些基因家族中看到。文昌鱼（有颌类）有单个的Hox基因簇，但是七鳃鳗（无颌类）有两个独立的基因簇。有颌类脊椎动物如鸟类和哺乳动物，有3-4个单独的Hox基因簇，证明它们发生了第二次四倍化。
硬骨鱼类基因组的分析显示，Hox基因簇以及很多其他的基因组位点以比哺乳动物更多的拷贝数出现，证明在硬骨鱼类的世系中有一次古老的全基因组的复制，发生在3.25-3.5亿年前，在肉鳍鱼类分化之后。例如，在斑马鱼和其他辐鳍鱼类中发现了7个Hox基因簇，而在哺乳动物中只发现了四个。鱼类特有的基因组复制假说或者所谓的3R假说近年来已得到了验证，通过在哺乳动物的单拷贝基因座上鉴定出上百个直系同源基因座。一些鱼类被认为额外进行了一轮基因组的复制(4R)。例如吸口鲤科鱼类，大马哈鱼，鲤鱼和金鱼。最近的分子研究也证实了在鲤鱼和鲑科鱼类中的4R基因组复制理论。在大马哈鱼中，至少发现了13个Hox基因簇，而在典型的3R硬骨鱼类中只有7-8个基因簇。
遗传易感性的老鼠品系中TLR7基因的复制被证实与系统性自身免疫的感应
相关。所以，在基因组中维持某个TLR基因的两个拷贝数只有在两种形式都发挥不同的作用来避免TLR过量表达时才有意义。
在斑马鱼中发现了同源或者说重复的TLR4和TLR8基因，虹鳟中发现了TLR8基因，鲤鱼中发现了TLR3和TLR7基因。TLR信号转导分子MyD88和TRAF6在鲤鱼中也有重复。从进化分析中总结出斑马鱼的两种TLR8基因（TLR8a和TLR8b）可能是R3基因复制产生的，然而鲑鳟鱼类的两种TLR8基因似乎是drTLR8a 的同源基因，并且是由鲑科鱼类特异的R4事件产生的。抛开基因复制的进化史，我们在设计定量PCR以及相似的重复基因的表达试验时应当注意。这在像大马哈鱼或者鲤鱼这类鱼中显得特别重要，因为目前它们缺乏一个高质量的基因组序列草图，并且经过了最近的（4R）基因组复制事件。因此，在设计定量引物检测这些多拷贝的基因的差异表达时，要选择在其差异区设计引物，以便分别扩增出这几种不同的同源物。实验已经证明：仔细设计的定量基因表达实验对于检测TLR8a1和TLR8a2在虹鳟中的差异表达，以及MyD88a和b或者TRAF6a和b在鲤鱼中的差异表达是足够敏感的。
鱼类特有的TLR家族包括TLR19、20、21、22和23。虽然在系统进化分析中它们与小鼠TLR11、12和13在一个分支上，但是它们也形成不同的分支。然而，对鱼类TLRs的进化史的更好的理解只能通过进行基因组分析和配体特异性实验来实现，并且要具体问题具体分析，类似于最近完成的斑马鱼TLR4b的研究。大多数鱼类特有的TLR的功能还不清楚。基因复制在鱼类特有的TLR家族的进化中似乎扮演着重要的角色。
鱼类TLRs的主要特征以及信号级联反应中的因子与哺乳动物的TLR系统在结构上有很高的相似性。然而，鱼类的TLR也表现出了很不一样的特征以及多样性，这些可能都来源于它们进化史的多样性和它们生活的不同环境。随着基因组研究技术的出现，鱼类TLR被大量发现，但是每种鱼或者相近的鱼中每种TLR的实际作用的研究才刚刚开始。在鱼类中发现的至少16种TLR中，配体特异性的直接证据只在TLR2，TLR3，TLR5M，TLR5S和TLR22中发现。在现在和不久的将来鱼类TLRs研究的主要任务是开发特异性的实验来鉴定所有鱼类TLRs的配体，这将会推动比较免疫学的研究，而且对于我们了解鱼类的疾病抵抗机制以及开发新的佐剂和/或更加有效的疫苗和疗法有着重要的作用。