根據細胞因子受體cDNA序列以及受體胞膜外區氨基酸序列的同源性和結構性,可將細胞因子受體主要分為四種類型:免疫球蛋白超家族(IGSF)、造血細胞因子受體超家族、神經生長因子受體超家族和趨化因子受體。此外,還有些細胞因子受體的結構尚未完全搞清,如IL-10R、IL-12R等;有的細胞因子受體結構雖已搞清,但尚未歸類,如IL-2Rα鏈(CD25)。 (一)免疫球蛋白超家族
該家族成員胞膜外部分均具有一個或數個免疫球蛋白(Ig)樣結構。已知,屬于IGSF成員的細胞因子受體的IL-1RtI(CD121a)、IL-1RtⅡ(CD121b)、IL-6Rα鏈(CD126)、gp130(CDw130)、G-CSFR、M-CSFR(CD115)、SCFR(CD117)和PDGFR,并可分為幾種不同的結構類型,不同IGSF結構類型的受體其信號轉導途徑也有差別。
(1)M-CSFR、SCFR和PDGFR:胞膜外區均含有5個Ig樣結構域,其中靠近胞膜區為1個V樣結構,其余4個為C2樣結構。受體通常以二聚體形式與相應的同源二聚體配體結合。受體胞漿區本身含有蛋白酷氨酸激酶(protein tyrosine kinase,PTK)結構。
(2)IL-1RtI和IL-1RtⅡ:胞膜外區均含有3個C2樣結構,受體胞漿區絲氨酸/蘇氨酸磷酸化可能與受體介導的信號轉導有關。
(3)IL-6Rα鏈、gp130以及G-CSFR:胞膜外區N端均含1個C2樣區,在靠近胞膜側各有1個紅細胞生成素受體超家族結構域,此外在胞有胞膜外區還含有2-4個纖粘連素結構域。gp130胞漿區酷氨酸磷酸化與信號轉導有關。這種結構類型的受體其相應配體IL-6、OSM、LIF和G-CSF在氨基酸序列和分子結構上也有很大的相似性。
(二)造血細胞因子受體超家族
造血細胞因子受體超家族(haemopoietic cytokine receptor super family)又稱細胞因子受體家族(cytokine receptor family),可分為紅細胞生成素受體超家族(erythropoietin receptor super family,ERS)和干擾素受體家族(interferon receptor family)。
1.ERSERS所有成員胞膜外區與紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)受體胞膜外區體在氨基酸序列上有較高的同源性,分子結構上也有較大的相似性,故得名。
(1)ERS的成員:屬于ERS的成員有EPOR、血小板生成素R、IL-2β鏈(CD122)、IL-2Rγ鏈、IL-3Rα鏈(CD123)、IL-3Rβ、IIL-4R(CDw124)、IL-5Rα鏈、IL-5βα鏈、IL-5Rβ鏈、IL-6Rα鏈(CD126)、gp130(CDw123)、IL-7R、IL-9R、IL-11R、IL-1240kDa亞單位、G-CSFR、GM-CSFRα鏈、GM=CSFRβ鏈、LIFR、CNTFR等,此外,某些激素如生長激素受體(GRGR)和促乳素受體(PRLR)亦屬于ERS。
(2)ERS的結構特征:紅細胞生成素受體超家族成員在胞膜外與配體結合部位有一個約含210氨基酸殘基的牲性同源區域,主要特點①同源區靠近N端有4個高并能保守的半胱氨酸殘基Cysl、Cys2、Cys3、Cys4和1個保守的鈀氨酸,Cys1與Cys2之間、Cys3與Cys4之間形成兩個二硫鍵。②同源區靠近細胞膜處,約在細胞膜外18~22氨基酸基處有一個色氨酸一絲氨酸-X-色氨酸-絲氨酸基序,所謂Trp-Ser-Xaa-Trp-Ser即WSXWS基序,其生物學功能尚不明了。IL-3α鏈、IL-3Rβ鏈、GM-CSFRβ鏈、LIFR辦有兩個ERS結構域,其中GM-CSFRβ鏈第一個ERS結構中有一個類似WSXWS基序,即為脯氨酸一絲氨酸-賴氨酸-色氨酸-絲氨酸(PSKWS)基序。1994年Hilton等合成WSXWS基序相應的寡核苷酸為探針,從成鼠肝cDNA文庫中克隆小鼠IL-11受體α鏈cDNA獲得成功。IL-6Rα鏈和gp130以及G-CSFrN端有一個IGSF結構。IL-7R靠近N端側的部位只有Cys1和Cys3,與其它成員相比,缺乏Cys2和Cys4以及色氨酸殘基。IL-1240kDa亞單位有ERS的同源結構,但為非膜結合的,而且與IL-12另一35kDa亞單位通過二硫鍵開成異源雙體。GM-CSFrN端在ERS中可以看作由2個Ⅲ型纖維粘連素組成,每個Ⅲ型纖維粘連素結構域由7股反平行β折疊股形成一個桶狀結構,兩個桶狀結構之間的槽是配體膜外保守區域有明顯的進化同源性,這種同源性的程度與IGSF成員間相似。EPoR似科與其它家族成員有更高的同源性,在進化上可能處于主導的地位。ERS的胞漿區長度不一,從54個氨基酸殘基到568個氨基酸殘基,除IL-2Rβ鏈與EPOR之間胞漿區有一定同源性外,其它成員在胞漿區未見明顯的同源性。ERS成員胞漿區本身均不具備PTK結構,其信號傳遞的途徑和機理也有所不同。IL-2Rβ鏈胞漿區的本雙重性區與胞漿中酪氨酸激酶相關聯,富含絲氨酸區與非激酶信賴途徑有關。IL-2Rγ鏈胞漿區具有SH2結構,參與信號傳遞。細胞漿中的PTK和PKC可能參與IL-4R介導的信號傳遞。gp130胞漿區絲氨酸富含區以及酷氨酸磷酸化與gp130介導的信號轉導有關。此外,酪氨酸磷酸化與IL-7R、GM-CSFRβ鏈、IL-3Rβ鏈、IL-5Rβ鏈介導的信號轉導有關。
2.干擾素受體家族屬于這一家族的成員有IFN-α/βR、IFN-γR和組織因子(TF)(為凝固白酶因子Ⅶ的細胞膜受體),其結構與紅細胞生成素受體家族相似,但N端只含有兩個保守性的Cys,兩個Cys之間有7個氨基酸。近膜處也有兩個保守的Cys,兩個Cys之間間隔有20-22個氨基酸。IFN-α/βR由兩個上述的結構域所組成。
(三)神經生長因子受體超家族
1.NGFR超家族的成員屬于該家族成員,除神經生長因子受體(nerve growth factor receptor NGFR)外,還有TNF-RⅠ(CD120a)、TNF-RⅡ(CD120b)、CD40、CD27、T細胞cDNA-41BB編碼產物、大鼠T細胞抗原OX40和人髓樣細胞表面活化抗原Fas(CD95)。
2.NGFR超家族的結構特點NGFR超家族成員其胞膜外由3-6個約40個氨基酸組成的富含Cys區域,如NGFR、TNF-RⅠ、TNF-RⅡ有4個結構域,CD95有3個結構域,CD30有6個結構域。所有成員N端第一個區域中均含6個保守的Cys以及Tyr、Gly、Thr殘基各一個,其它區域亦含4-6個Cys。TNF-RⅠ、CD95、CD40分子之間胞漿區約有40-50%同源性。
(四)趨化因子受體
1988年IL-8基因克隆成功以來,已形成了稱之為趨化因子(chemokine)的一個家族。到目前為止,趨化因子家族的成員至少有19個。部分趨化因子的受體已基本搞清,它們都性屬于G蛋白偶聯受體(GTP-binding protein couple dreceptor),由于此類受體有7個穿膜區,又稱7個穿膜區受體超家族(seven predicated transmembrane domain receptor superfamily,STR superfamily)。G蛋白偶聯受體(或STR)包括的范圍很廣,除了趨化因子受體外,如某些氨基酸、乙酰膽堿、單胺受體,經典的趨化劑(C5a、fMLP、PAF)受體等都屬于G蛋白偶聯受體/STR。
1.趨化因子受體的種類和結構
(1)趨化因子受體的種類:已發現的趨化因子受體種類有IL-8RA、IL-8RB、MIP-1α/RANTEsR、NCP-1R和細胞趨化因子受體(red blood cell chemokine receptor,RBCCKR)。有人將能與IL-8結合的IL-8RA、IL-8RB和RBCCKR(Duffy抗原)歸為IL-8受體家族。
(2)趨化因子受體的結構:所有趨化因子受體都屬于G蛋白偶聯受體/STR,N端在胞膜外,C端位于胞漿內。7個穿膜區(transmembrane domain,TMD)為α螺旋,在TMDⅡ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ由α螺旋內保守的肺腑氨酸所扭結(kinked),胞膜外和胞漿內各有由親水氨基酸所組成的三個一不,分別簡稱為e1-e3(e:extracellular connecting loops)和il-i3(iintracellular connecting loops)。e1和e2之間由兩個保守的Cys形成一個二硫鍵,有些受體在胞外N端和e3之間也形成二硫鍵,如IL-8Ra30Cys與277ys形成二硫鍵。在STR超家族中,趨化因子受體以及經典的趨化劑受體具有以下特點:(1)其長度在STR超家族中最短,約為350氨基酸,其主要原因是N端、C端較短,i3環只含16-22個氨基酸;(2)在氨基酸水平上同源性大于20%;(3)i3富含堿性氨基酸,帶正電;(4)N端仿酸,帶負是電;(5)胞漿區含有多個絲氨酸和蘇氨酸,可能是磷酸化位點;(6)mRNAs多表達于白細胞。
2. IL-8受體家族IL-8R家族是趨化因子受體中能與IL-8結合的不同受體的總稱,包括IL-8RA、IL-8RB和RBCCKR。
(1)IL-8RA:IL-8RAcDNA1991年基因克隆成功,是Holmes等從中性粒細胞cDNA表達文庫中分離得到,人IL-8RA基因定位于染色體2q35,與IL-8RB基因密切連鎖和高度同源,可能是從同一祖先基因經復制而來。從cDNA推算出IL-8RA由350氨基酸組成,有5個N連接的糖基化位點。裸肽分子量為40kDa,糖基化后55~69kDa,在氨基酸水平上與IL-8RB的同源性為77%。IL-8RA只與配體IL-8(堿性,PI8.0-8.5)結合,這與IL-8RA的結構有關,IL-8RaN端酸性氨基酸是與IL-8結合的位置,N端Asp11和e3中Gly275和Arg280對于與配體結合至關重要,由于Cys30與Cys277之間形成二硫鍵,Asp11,Glu275和Arg280在空間置上十分接近,共同參與同配體的結合。IL-8RA基因表達的細胞種類較為廣泛,如中性粒細胞、單核細胞、PGA活化的T細胞、單核細胞樣細胞系、黑素瘤細胞、滑液成纖維細胞、HL60細胞和前髓樣細胞系THP-1等。
(2)IL-8RB:IL-8RBcDNA是首先從HL60細胞中克隆成功,推斷的氨基酸殘基數為335,有一個潛在的N連接糖基化位點。IL-8RB可與CXC亞族中IL-8、GROα、GROβ、GROγ和NAP-2結合。人IL-8RB主要表達于髓樣細胞,如中性粒細胞、HL60、THP-1和AML193細胞。
(3)RBCCKR:這種受體結合配體的特異性較寬,又稱multi-specific receptor,可結合CXC亞族中的IL-8、NAP-2、GROα和CC亞族中的MCP-1和RANTES。人RBCCKRcDNA1993年克隆成功,基因定位于1q21-q25,成熟受體分子由338個氨基酸組成,分子量為39kDa,與IL-8RB和MIP-1α/RANTESR分別有27%和23%同源性。胞膜外區為66個氨基酸,含有2個潛在的N連接糖基化點,酸性。C端胞漿區長24個氨基酸殘基,RBC-CKR似乎不G蛋白調節,可能是一種G蛋白的非偶聯受體。RBCCKR是人紅細胞Duffy抗原(gpD),也是微小間日瘧原蟲(Plasmodium vivax)受體。Duffy血型陰性個體盡管存在著該血型的原因,但不表達Duffy抗原/RBCCKR。RBCCKR作為一種清除受體(clearance receptor)清除血液中趨化因子。這種受體與配體結合的親和力Kd為5nM,正常血清中IL-8水平在pM水平。在成人呼吸窘迫綜合征(ARDS)、膿毒癥時,血清IL-8水平可升高至8nM,過高水平的IL-8結合到RBCCKR而得以清除。IL-8等趨化因子結合到紅細胞上后即失去了對靶細胞作用。紅細胞的這種清除作用的意義還在于維持一個合適的趨化因子濃度,保證中性粒細胞等敏感地從血液中向趨化因子濃度高的炎癥部位動。RBCCKR除表達在紅細胞上外,還表達在腎臟、大腦,基因表在這還見于脾、肺和胸腺等。
3.受體的信號轉導IL-8RA和IL-8RB中緊接第三個穿膜區(TMD Ⅲ)的第二個胞內環(i2)有一段高度保守的DRYLAIVHA序列,與受體信號的轉導密切相關,其中DRY對于受體有效地偶聯G蛋白是必要的,如用突變方法改變此序列,雖然不影響受體與配體的結合,但幾乎完全喪失了配體刺激的生物學活性。IL-8R與配體結合后使與受體結合的異源三體G蛋白分解為α亞單位和βγ亞單位,α亞單位活化磷脂酶C(phospholipase C PLC),導致胞漿內三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)增加,分別誘導胞漿內Ca庫釋放Ca2 和PKC的活化。此外,IL-8RA和IL-8RBC端絲氨酸和蘇氨酸殘基的磷酸化可能與信號的轉導有關。
4.趨化因子受體與病毒發現某些感染人或靈長類病毒的開放讀框產物與某些趨化因子受體有較高的同源性,這可能與病毒的致病以及病毒所具有的某些生物學特性有關。
(1)人巨細胞病毒(human cytomegalovirus HCMV):是一種可感染人上皮細胞、髓樣和淋巴樣細胞的β皰疹病毒(β Herpesvirus)。HCMV 3個開放讀框US27、US28和UL33所推斷的氨基酸序列在分子結構上均可模擬STR,其中US28產物與人MIP-1α/RANTEsR約有30%同源性,與該受體N端的同源性高達56%。US28產物可與趨化因子β亞族中MIP-1α、MIP-1β、MCP-1和RANTES相結合,但不能結合α亞族中的趨化因子。
(2)Saimiri皰疹病毒(HerpesvirussaimiriHVS):是一種感染靈長類動物嗜T細胞的γ皰疹病毒(γHerpesvirus)。HVS開放讀框ECRF3產物與IL-8R有近30%的同源性,與IL-8RbN端的同源性為44%。ECRF3產物與IL-8、GROα和NAP-2均可發生一定程度的結合。
HCMV-US28和HVS-ECRF3探針不能與人基因組DNA雜交,提示皰疹病毒不僅從宿主體內獲得了趨化因子受體基因拷貝,而且進行了修飾。類似的現象見于嗜人B淋巴細胞的γ皰疹病毒-EB病毒(EBV),EBV開放讀框BCRF1是從宿主體內獲得的IL-10基因,BCRF1產物又稱為病毒IL-10(vIL-10),可模擬哺乳動物IL-10的抗炎癥和抗增殖效應。