Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e Mauro Tonellato
Recettori Toll-like

Molecola del Mese di Novembre 2011 di David Goodsell
Parole chiave: sistema immunitario innato, lipopolisaccaridi, lipoproteine, recettori di membrana

Introduzione
Il mondo è pieno di batteri e virus pronti ad infettare le nostre cellule. Noi abbiamo due linee di difesa contro questa continua aggressione. La nostra prima difesa è il sistema immunitario innato che ci protegge dalle infezioni più comuni e mette in atto una difesa veloce quando scopre un organismo che ci ha attaccato. Il sistema immunitario innato è largamente diffuso in natura, si trova negli animali, nelle piante e nei funghi, e nella maggior parte dei casi è anche la sola difesa. Gli animali vertebrati, però, hanno anche una seconda linea di difesa, il sistema immunitario adattativo che entra in funzione se l'infezione è più grave, usando anticorpi costruiti su misura e la forza distruttiva dei globuli bianchi per combattere gli invasori.

Difese Dedicate
Il sistema immunitario innato ha il compito di combattere le infezioni più comuni: per esempio la proteina Toll del moscerino della frutta è specializzata nel riconoscere le infezioni di batteri e funghi. Le nostre cellule contengono 10 proteine simili alla proteina Toll che vengono chiamate recettori Toll-like, ognuna riconosce una particolare molecola di batteri e virus. Quella illustrata qui a fianco (ottenuta combinando due strutture PDB 3fxi e 2j67) riconosce un lipopolisaccaride (rosso), una molecola che si trova nella parete cellulare dei batteri. Quando individuano questa molecola estranea, i recettori Toll-like inducono una risposta infiammatoria che combatte i patogeni. Questa risposta è molto importante: per esempio le cavie nelle quali è stato bloccato uno dei passaggi del percorso di segnalazione del recettore Toll-like, spesso muoiono per banali infezioni causate dai normali batteri della bocca.




Mandare il Segnale

Come molti recettori della membrana cellulare, i recettori Toll-like trasmettono i loro segnali alla cellula formando un dimero (illustrato nella figura qui sopra, e anche qui a fianco, per il particolare del riconoscimento del legando ).
Il recettore attraversa la membrana cellulare (striscia grigia), infatti è formato da una grande porzione a forma di ferro di cavallo nella parte esterna della cellula e da un piccolo dominio con attività di chinasi nella parte interna (figura sopra).
La molecola del patogeno, in questo caso un lipopolisaccaride (rosso nella figura sopra, rosso e grigio qui a fianco), viene catturata dalla proteina MD2 (verde) formando un complesso che poi lega insieme due copie della porzione a ferro di cavallo che si trovano sul lato esterno della membrana (file PDB 3fxi). La formazione del dimero tra le due porzioni a ferro di cavallo attiva il dominio chinasi (visibile in basso nella figura sopra, file PDB 2j67) ed innesca una cascata di segnali all'interno della cellula che producono la risposta infiammatoria.


Amico o Nemico
E' fondamentale che i recettori Toll-like riconoscano solo le molecole ostili, e non le nostre molecole. Sono stati identificati recettori Toll-like di molti tipi diversi. Quello mostrato qui a destra, dal file PDB 3ciy include solo la porzione extracellulare del recettore, riconosce frammenti di RNA a doppia elica lunghi almeno 35 nucleotidi. I lunghi frammenti di RNA a doppia elica sono rari nelle nostre cellule: l'RNA transfer e il micro-RNA hanno delle regioni a doppia elica più corte di 35 nucleotidi. Quindi la presenza di un lungo filamento di RNA a doppia elica è un forte indizio della presenza di un virus.






Esploriamo la Struttura

La caratteristica forma a ferro di cavallo dei recettori Toll-like è formata da una sequenza di amminoacidi ripetuti, chiamata ripetizione ricca di leucina. Questo motivo è presente anche in altre proteine, in particolare in quelle che legano altre proteine.
In alcuni casi, come nell'inibitore della ribonucleasi, (file PDB 1dfj, non mostrato qui), la proteina si lega proprio dove sembra più logico, all'interno della struttura a ferro di cavallo.
In generale, però, nei recettori Toll-like le molecole bersaglio si legano in una tasca che si trova su un lato del ferro di cavallo. Questo è evidente soprattutto nei recettori Toll-like che riconoscono lipoproteine batteriche come quello mostrato qui dal file PDB 2z7x, dove si vede che le catene lipidiche della molecola bersaglio (sfere grigio chiaro) sono inserite in due profonde tasche che si trovano nelle zone del recettore che si devono avvicinare per formare il dimero.






Spunti per ulteriori esplorazioni
1. Ci sono molte strutture negli archivi PDB che rappresentano la forma monomerica dei recettori Toll-like, cioè quella che si ha prima che il recettore incontri il suo legando. Può essere interessante confrontare le due forme, monomerica e dimera di un recettore confrontando i file PDB 3a7c (monomero) e 2z7x (dimero).
2. Anche l'inibitore della ribonucleasi contiene delle porzioni ripetute ricche di leucina che assumono una struttura a ferro di cavallo. La curvatura della proteina inibitrice della ribonucleasi, però, è molto più stretta. Usate la rappresentazione cartoon o quella con la sola catena principale (backbone) per confrontare la struttura secondaria di TLR2 in PDB 3a7c con quella dell'inibitore della ribonucleasi PDB 1dfj. Notate come le alfa eliche sul bordo esterno costringano la proteina ad assumere una curvatura più stretta.


Bibliografia
1. I. Botos, D. M. Segal and D. R. Davies (2011) The structural biology of Toll-like receptors. Structure 19, 447-459.
2. B. Beutler, S. Jiang, P. Georgel, K. Crozat, B. Croker, S. Rutschmann, X. Du and K. Hoebe (2006) Genetic analysis of host resistance: Toll-like receptor signaling and immunity at large. Annual Review of Immunology 24, 353-389.
3. J. A. Hoffmann and J. M. Reichhart (2002) Drosophila innate immunity: an evolutionary perspective. Nature Immunology 3, 121-126.

Strutture PDB Collegate
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