Le récepteur Toll-like 4, ou TLR4, parfois également nommé CD284 (classe de différenciation 284),est un activateur clé de la réponse immunitaire innée et joue un rôle central dans la lutte contre les infections bactériennes. TLR4 est une protéine transmembranaire d'environ 95 kDa codée par le gène TLR4.
TLR4 appartient à la famille des récepteurs de type toll (TLR), représentative des récepteur de reconnaissance de motifs moléculaires (PRR, pattern recognition receptors). Les PRR sont ainsi nommés pour leur capacité à reconnaître des composants de micro-organismes (bactéries, virus, champignons et parasites) conservés au cours de l'évolution, appelés motifs moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP, pathogen associated molecular pattern). La reconnaissance d'un PAMP par un PRR déclenche une activation rapide de l'immunité innée, essentielle pour lutter contre les maladies infectieuse.
TLR4 est exprimé par les cellules immunitaires principalement d’origine myéloïdes, incluant les monocytes, macrophages et cellules dendritiques (DC, dendritic cell). Il est également exprimé à un niveau plus faible dans certaines cellules non immunitaires, telles que les cellules épithéliales, endothéliales, placentaires, et les cellules bêta des ilôts de Langerhans. La plupart des cellules myéloïdes expriment également des niveaux élevés de la protéine CD14 ancrée à la membrane plasmique. Celle-ci facilite l’activation de TLR4 par les LPS et contrôle son internalisation subséquente, importante pour la signalisation du récepteur et sa dégradation.
Les principaux ligands du TLR4 sont les lipopolysaccharides (LPS), composants majoritaires de la membrane externe des bactéries Gram-négatives et de certaines bactéries Gram-positives. Le TLR4 peut également être activé par des composés endogènes appelés motifs moléculaires associés aux danger (DAMP, damage associated molecular pattern), notamment la protéine HMGB1 (high mobility group box protein 1), les protéines S100 ou les histones. Ces composés sont libérés lors de lésions tissulaires et par les cellules mourantes ou nécrotiques.
Rôles du TLR 4 Les TLR sont hautement conservés de la Drosophile à l'homme et partagent des similitudes structurelles et fonctionnelles. Ils reconnaissent les motifs moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP pour Pathogen-Associated Molecular Pattern) qui sont exprimés sur des agents infectieux et interviennent dans la production de cytokines nécessaires au développement d'une immunité efficace.
Son activation conduit à une voie de signalisation intracellulaire NF-κB et à la production de cytokines inflammatoires, responsables de l'activation du système immunitaire inné. Il est bien connu pour la reconnaissance du lipopolysaccharide (LPS), aussi nommé endotoxine, un composant présent dans de nombreuses bactéries à Gram négatif (par exemple Neisseria spp.) et certaines bactéries à Gram positif. Ses ligands comprennent également plusieurs protéines virales, un polysaccharide et diverses protéines endogènes telles que les lipoprotéines de basse densité, les bêta-défensines et la protéine de choc thermique.
Plusieurs variantes de transcription de ce gène ont été trouvées, mais le potentiel de codage de protéines de la plupart d'entre elles est incertain.
La plupart des effets rapportés de la signalisation de TLR4 dans les tumeurs sont pro-cancérigènes, principalement en raison des contributions de la signalisation de cytokines proinflammatoires (dont l'expression est dirigée par des signaux médiés par TLR) au microenvironnement favorisant les tumeurs.
Liaison endotoxine (LPS) avec TLR 4 La liaison entre le LPS et le récepteur TLR 4 est possible après une fixation du LPS à un corécepteur membranaire MD2 (chaînes C et D), aussi connu sous le nom LY96, au préalable. La liaison du LPS au corécepteur membranaire MD2 permet le rapprochement et l'homodimérisation des deux chaînes de TLR4, activant leurs domaines intracytosoliques respectifs qui recrutent des protéines intracellulaires dans le but d'initier une réponse inflammatoire"Crystal structure of the human TLR4-human MD-2-E.coli LPS Ra complex" in Nature 2009 pages 1191-5.
Le récepteur CD14 est également un partenaire du TLR 4. En intracellulaire, diverses protéines fixées au domaine intracytosolique du TLR 4 sont recrutées, telle que MyD88 (). En aval, l'activation d'une cascade de protéines impliquées dans diverses voies classiques (celle des MAP-kinases ou encore celle de NF-κB) permet ensuite au macrophage activé par la stimulation de ses récepteurs TLR 4 d'être un acteur de l'inflammation (notamment en sécrétant du monoxyde d'azote, par exemple, si activation de NF-κB qui peut stimuler la transcription de la Nitric Oxyde Synthase 2 (iNOS) ou celle de cytokines pro-inflammatoires.
Signalisation Lors de la reconnaissance du LPS, les changements de conformation des récepteurs TLR4 entraînent le recrutement de domaines TIR intracellulaires contenant des molécules adaptatrices. Ces adaptateurs sont associés au cluster TLR4 via des interactions homophiles entre les domaines TIR. Il existe quatre protéines adaptatrices impliquées dans deux voies majeures de signalisation intracellulaire.
Il coopère avec LY96 (également appelé MD-2) et CD14 pour jouer un rôle dans les événements de transduction du signal induits par le lipopolysaccharide (LPS) présent dans la plupart des bactéries à Gram négatif. Des mutations dans ce gène ont été associées à des différences de réactivité des LPS.
La signalisation TLR4 répond aux signaux en formant un complexe à l'aide d'un domaine extracellulaire de répétition riche en leucine (LRR pour Leucin-Rich Repeat) et d'un domaine intracellulaire de récepteurs toll/interleukine-1 (TIR). La stimulation par le LPS induit une série d'interactions avec plusieurs protéines accessoires qui forment le complexe TLR4 à la surface de la cellule. La reconnaissance du LPS est initiée par une liaison du LPS à une protéine LBP. Ce complexe LPS-LBP transfère le système LPS sur CD14. CD14 est une protéine membranaire ancrée dans le glycosyl-phosphatidyl-inositol qui lie le complexe LPS-LBP et facilite le transfert du LPS à la protéine MD-2, associée au domaine extracellulaire de TLR4. La liaison au LPS favorise la dimérisation de TLR4/MD-2. Les changements conformationnels du TLR4 induisent le recrutement de protéines adaptatrices intracellulaires contenant le domaine TIR, nécessaires pour activer la voie de signalisation en aval. vignette|416x416px|Voie de signalisation du récepteur à péage 4. Les lignes grises en pointillés représentent des associations inconnues
Voie dépendante de MyD88 La voie dépendante de MyD88 est régulée par deux protéines associées à l'adaptateur : le gène de réponse primaire de différenciation myéloïde 88 (MyD88) et la protéine adaptatrice contenant le domaine TIR (TIRAP). TIRAP-MyD88 régule l'activation précoce de NF-κβ et la production de cytokines pro-inflammatoires, telles que l'IL-12. La signalisation MyD88 implique l'activation des kinases associées au récepteur de l'IL-1 (IRAK) et du facteur 6 du facteur associé au récepteur de TNF (TRAF6). TRAF6 induit l'activation de TAK1 (facteur de croissance transformant-kinase activée-β) qui conduit à l'activation de cascades MAPK (protéine kinase activée par un mitogène) et d' IKK (kinase IKB). La voie de signalisation d'IKK conduit à l'induction du facteur de transcription NF-KB, tandis que l'activation des cascades de MAPK entraîne l'activation d'un autre facteur de transcription AP-1. Les deux jouent un rôle dans l'expression des cytokines pro-inflammatoires. L'activation de NF-KB par TAK-1 est complexe et commence par l'assemblage d'un complexe protéique appelé signalosome, constitué d'une protéine d'échafaudage appelée NEMO. Le complexe protéique est constitué de deux kinases κB différentes, appelées IKKα et IKKβ. Cela provoque l'ajout d'une petite protéine régulatrice au signalosome appelée ubiquitine, qui déclenche la libération de la protéine NF-KB, qui coordonne la translocation dans le noyau des cytokines.
Voie endosomale (adapteur TRIF) Cette voie dépendante de TRIF implique le recrutement de protéines adaptatrices TIR-domain-containing adaptator containing interféron-β (TRIF) et la molécule adaptatrice apparentée au TRIF (TRAM). Les signaux TRAM-TRIF activent le facteur de transcription Interferon Regulatory Factor-3 (IRF3) via TRAF3. L'activation d'IRF3 induit la production d' interférons de type 1.
SARM: régulateur négatif de la voie médiée par le TRIF Une cinquième protéine adaptatrice contenant un domaine TIR appelée Sterile α and HEAT (motif Armadillo) (SARM) est un inhibiteur de la voie de signalisation TLR4. L'activation de SARM par la liaison au LPS inhibe les voies médiées par le TRIF mais n'inhibe pas les voies médiées par MyD88. Ce mécanisme empêche une activation excessive en réponse au LPS, ce qui peut entraîner des lésions induites par l'inflammation, telles que la septicémie.
Histoire évolutive Le TLR4 a été créé lorsque les TLR2 et TLR4 ont divergé il y a environ 500 millions d'années, au début de l'évolution des vertébrés. Les alignements de séquence d'exons de TLR4 humains et de grands singes ont démontré qu'il n'y a pas eu beaucoup d'évolution dans TLR4 humain depuis notre divergence par rapport à notre dernier ancêtre commun avec les chimpanzés. Les exons de TLR4 humain et de chimpanzé ne diffèrent que par trois substitutions, tandis que les humains et les babouins sont similaires à 93,5 % dans le domaine extracellulaire. Notamment, les humains possèdent un plus grand nombre de codons d'arrêt précoce dans TLR4 que les grands singes; dans une étude portant sur 158 humains dans le monde, 0,6 % avaient une mutation non-sens. Cela suggère qu'il existe des pressions évolutives plus faibles sur le TLR4 humain que sur nos parents de primates. La distribution des polymorphismes humains de TLR4 correspond à la migration extra-africaine et il est probable que les polymorphismes aient été générés en Afrique avant la migration vers d'autres continents.
Les interactions Il a été démontré que TLR4 interagissait avec : Antigène lymphocytaire 96 Myd88 TOLLIP Nickel
Le trafic intracellulaire de TLR4 dépend de la GTPase Rab-11a et l’inactivation de Rab-11a freine le recrutement de TLR4 vers les phagosomes contenant E. coli et, par la suite, réduit la transduction du signal par la voie indépendante MyD88.
Signification clinique Divers polymorphismes mono-nucléotidiques (SNP) du TLR4 chez l'homme ont été identifiés et pour certains d'entre eux, une association avec une susceptibilité accrue aux infections bactériennes à Gram négatif ou une progression plus rapide et une évolution plus sévère de la septicémie chez les patients gravement malades patients ont été signalées.
Résistance à l'insuline Fetuin-A facilite la liaison des lipides aux récepteurs, induisant ainsi une résistance à l'insuline.
Dans la progression des cancers