TLR2 in complex with TLR1 or TLR6 plays an important role in innate immune response by recognizing microbial lipoproteins and lipopeptides. Here we present crystal structures of the mouse TLR2- $Pam_3 CSK_4$ (a derivative of triacylated lipopeptide) and human TLR2-TLR1- $Pam_3 CSK_4$ complexes. Binding of $Pam_3 CSK_4$ induces formation of an 'm' shaped heterodimer of TLR1 and TLR2. Three lipid chains of $Pam_3 CSK_4$ mediate the receptor dimerization - the two ester-bound lipid chains is inserted into a pocket in TLR2 and the remaining amide bound lipid chain into a narrow channel in TLR1. Extensive hydrogen bonding network and hydrophobic interactions between TLR1 and TLR2 further stabilize the heterodimer. The ligand binding pocket of TLR2 is formed in the convex surface at the interface of the hinge and C-terminal domains. The flexible loops of LRR11 and 12 open a crevice that is connected to a large internal pocket. Hydrophobic residues from LRR9 to LRR12 modules decorate internal surface of the TLR2 pocket. The lipid binding channel of TLR1 is formed at the same area between the hinge and the C-terminal domains but is shorter and narrower than the TLR2 pocket. Modeling study suggests that TLR6 does not contain the lipid binding channel. We propose that ligandinduced dimerization of the extracellular domains of TLR family produces juxtaposed intracellular TIR domains and derives the recruitment of specific adaptor proteins through the TIR-TIR interactions for signal transduction.
다양한 미생물 분자들과 결합하여 선천성 면역을 활성화하는 TLR 단백질은 단백질 대량 생산 및 결정화의 어려움으로 인해 오랫동안 구조생물학자들의 연구목표가 되어 왔다. 이 논문에서는 자체 개발 기술인 “융합 LRR 기술(Hybrid LRR technique)”을 이용하여 TLR1-TLR2-지질단백질 복합체의 구조를 분자 수준에서 규명하였다. '융합 LRR 기술(Hybrid LRR technique)' 이란 구조를 알고자 하는 타겟 단백질에 다른 단백질을 융합하여 타겟 단백질의 발현 양을 증가시키고, 동시에 단백질의 결정화가 잘 이루어지도록 하여 단백질 구조 분석을 용이하게 해주는 기술이다. 이를 이용하여 박테리아 세포벽에 존재하는 지질 단백질이 세 개의 지질 잔기를 이용하여 TLR1-TLR2 단백질에 직접적으로 결합함으로써 “m” 모양의 이형복합체를 형성한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 결과로부터 TLR1-TLR2 복합체 형성이 세포내 신호전달을 매개하는 도메인의 결합을 유도하여 궁극적으로 선천성 면역체계를 활성화 시킨다는 가설을 제시하였다. 선천성 면역 반응의 강력한 원인 물질인 지질단백질이 TLR 단백질과 직접적으로 결합하는 구조를 규명함으로써, 지질단백질에 의해 유도되는 패혈증 및 TLR1, TLR2 와 관련된 감염성 질환의 효과적인 치료제 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
