免疫学研究发现问鼎诺贝尔奖——皇冠背后的故事
1901年，首届诺贝尔生理学或医学奖授予了免疫学家Emil von Behring，迄今约有30位免疫学家获此殊荣。110年后，三位免疫学家又获得了诺贝尔医学或生理学奖，以表彰他们在树突状细胞和固有免疫分子方面的重要研究发现。他们分别是美国人布鲁斯·巴特勒(Bruce Beutler)，卢森堡人朱尔斯·霍夫曼(Jules Hoffmann)以及加拿大人拉尔夫·斯坦曼(Ralph Steinman)，而拉尔夫·斯坦曼在诺贝尔奖公布前3天因病离世，。这三人发现了免疫系统激活的关键原理，这使人们对人体免疫系统的认识有了革命性的改变。他们的研究发现和提出的理论，完善了免疫学的理论体系，无论是对研发针对传染病的“治疗性疫苗”，还是开发对抗癌症的新方法都具有重要的指导意义.
天然免疫和获得性免疫细胞水平的联系
免疫系统成功消灭外来者往往包括两方面：首先，外来物（无论是细菌、病毒还是寄生虫）都应当正确地识别、转移到合适的场所来进行处理；其次，免疫系统必须避免伤及自身。在树突状细胞成功分离的30余年之后，人们发现树突状细胞可以成功地同时实现二者。
当拉尔夫·斯坦曼还是一名麻省总医院的医生时，他便对免疫学产生了浓厚的兴趣。当时，麦克法兰·伯奈特（Macfarlane Burnet）的克隆选择学说已经获得了广泛的承认，成为现代免疫学的基石之一。人们已经清楚T细胞和B细胞各自的作用，这些发现及其在临床上的潜力深深吸引着拉尔夫·斯坦曼。但是他觉得免疫学说似乎缺少了最重要的一个部分：即，免疫反应的起点是什么。当绝大多数科学家研究身体面对微生物入侵会产生何种反应时，拉尔夫·斯坦曼开始将焦点放在入侵的最初阶段。
为了了解抗原与免疫反应间的关系，拉尔夫·斯坦曼开始进入洛克菲勒大学在Zanvil Cohn的指导下读博士后。Cohn博士是研究巨噬细胞在细菌吞噬、分解方面的专家。在拉尔夫·斯坦曼看来，巨噬细胞系统是了解抗原产生的最佳系统，但是巨噬细胞似乎只是分解抗原，而并非“产生”抗原。
自从1868年Langerhans第一次描述了皮肤存在的树突状细胞以来，人类就开始了漫长的探索树突状细胞功能的征程。1973年拉尔夫·斯坦曼确认了小鼠脾脏中的树突状细胞，并用一系列实验证明了淋巴组织源性的树突状细胞是强有力的初始免疫反应的激发者。他发现在实验室条件下，老鼠脾脏中一种罕见的细胞会按特定的途径运动。这种细胞的行为不同于其他免疫细胞，比如，在撤退前，这些细胞会发射出放射线并且出现膨胀现象，形成星形图案，他称这些细胞为树突状细胞。
之后，拉尔夫·斯坦曼用一系列实验证明了淋巴组织来源的DC是强有力的初始免疫反应的激发者，最为关键的是，这些树突状细胞高表达MHC分子，在刺激T细胞介导的移植排异反应方面较之脾细胞强100倍〜1000倍，是哺乳动物体内最强的抗原提呈细胞。而且，当DC在外周捕获抗原后，从皮肤或其他组织向附近的淋巴结迁移，同时，对获取的抗原进行加工、处理，由未成熟DC转变为成熟DC；成熟的DC将胞内形成的抗原肽-MHC复合物转运到细胞表面，呈递给T淋巴细胞，相继激活T、B淋巴细胞，启动适应性免疫应答。
天然免疫和获得性免疫分子桥梁
在朱尔斯·霍夫曼和布鲁斯·巴特勒发现Toll受体并揭示其免疫识别功能之前，一直困扰免疫学家的问题是，机体的免疫系统是通过何种方式识别病原微生物，继而产生免疫应答的？而且在免疫应答过程中，免疫系统又是如何避免伤及自身组织的？介导炎症与识别微生物之间的关系是什么？
直到1996年，朱尔斯·霍夫曼发现了Toll基因在抗真菌感染方面的作用，才逐步揭开了固有免疫识别的分子机制。实际上，Toll基因早在1988年就在果蝇体内被发现并克隆出来，但是当时对这一基因功能的了解仅限于其在果蝇胚胎背腹图案形成中具有决定性作用。后来的研究还发现，包括Toll在内的导致果蝇胚胎发育过程中背腹多态性的三个基因，Toll、Cactus和dorsal在结构和功能上与哺乳动物IL-1、I-kB和NF-kB极其相似。
利用果蝇模型，朱尔斯·霍夫曼的研究团队发现，果蝇背腹信号通路（dorsal除外）细胞内控制元件和Toll细胞外配基对成年果蝇抗真菌肽基因drosomycin的表达具有控制作用，Toll信号通路基因缺陷的果蝇在成年后极易感染烟曲霉菌而死亡。
之后，朱尔斯·霍夫曼等人还证实，果蝇的固有免疫系统能够区别不同类别的病源微生物感染，并产生相应的抗感染反应，介导特定的抗感染肽基因的表达。朱尔斯·霍夫曼的研究首次证实了Toll分子在激活抗感染免疫方面的作用，从而为一系列固有免疫识别分子的发现打下了基础。两年后，布鲁斯·博伊特勒在哺乳动物体内发现了之前认为的lps基因实为错义突变的tlr4基因，从而找到了与果蝇Toll分子功能类似的模式识别分子—Toll样受体4 (Toll like receptor 4,TLR4)。哺乳动物的固有免疫细胞正是通过TLR4对革兰氏阴性细菌的LPS进行识别，并最终产生相应的抗感染免疫反应。
早在20世纪60年代，人们就已经发现C3H/HeJ（当时认为，该品系小鼠携带纯合子显性脂多糖抗性基因lps）小鼠对细菌内毒素缺乏反应，而同一来源的其他两个品系小鼠C3H/HeN和C3H/OuJ由于不携带上述抗性基因，能够对内毒素起正常反应。之后的研究发现，若将C3H/HeJ与另一抗内毒素小鼠C57BL/10ScCr（等位基因纯合子缺失小鼠，布鲁斯·博伊特勒后来证实是TLR4缺失所致）杂交后，所生产的子一代（C57BL/10ScCr×C3H/HeJ）对内毒素同样缺乏反应，而C57BL/10ScCr与其对照种系的C57BL/10ScSn（对内毒素反应正常）的杂合子代（C57BL/10ScCr×C57BL/10ScSn）对革兰氏阴性菌的反应性与正常小鼠相同，这意味着C57BL/10ScCr等位基因并非是等显性的。
通过对上述品系小鼠lps抗性基因的分析，布鲁斯·博伊特勒发现，lps抗性基因区实际上包含两个部分：pappa(49K20)片段和tlr4全长基因（309I17 and 152C16）。利用C3H/HeJ（lpsd）小鼠来源巨噬细胞mRNA RT-PCR扩增获得的全长TLR4（2951bp）cDNA，其编码蛋白氨基酸序列的712位存在错义突变（P→H），这一突变正好位于TLR4细胞内最保守的结构区。因此，所谓的脂多糖抗性基因lps实际上是存在突变的tlr4基因。
在布鲁斯·博伊特勒发现TLR4与脂多糖的相互关系之后，免疫学研究领域掀起了寻找模式识别分子的热潮，一系列Toll受体及其配基相继被确证。目前，人们已分别在小鼠和人体内发现了12种和10种Toll样受体，这些Toll受体绝大多数都与固有免疫的分子识别有关。
从结构来看，TLR属于Ⅰ型跨膜蛋白，包括富含亮氨酸重复序列的膜外区、 跨膜区和含有TLR结构域的胞浆区（介导下游信号传递）。依据其细胞定位，TLR主要分为两类：一类包括TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6和TLR11，位于细胞表面，配体为微生物的膜结构如蛋白、脂类、脂蛋白等，可以被小分子或抗体激活；另一类包含TLR3、TLR7、TLR8和TLR9，位于胞内囊泡结构（溶酶体、内涵体和内质网等），识别微生物的核酸。
通过序列比对，人们可以发现TLR与下游通路蛋白存在一些结构上的共性。例如TLR4及其传导蛋白MyD88、IRAK4等蛋白或酶具有相同的部分，该部分被并称为toll-白介素受体，简称TIR。一些化合物正是以该结构为靶点来设计药物，在其中增加短肽链以干扰蛋白间的结合。
TLR大多通过同质二聚体的形式行使功能；TLR2与TLR1或TLR6组成异质二聚体，分别与不同的配体发生相互作用。部分TLR还需要辅助受体才能与配体完美结合， 例如TLR4识别LPS的过程需要MD-2辅助。TLR受到配体激活后，细胞质内一些连接蛋白分子会被富集以传递信号，这是多数TLR所必需的。目前有4种连接蛋白研究得最深入，即 MyD88、TIRAP、TRIF、TRAM。连接蛋白进一步活化胞内其他分子，使信号得以放大和传递，最终激发或诱生免疫应答。
Toll与临床治疗
树突状细胞和Toll样受体的发现不仅丰富了免疫学理论，也为其在生命科学和临床医学的应用研究中开辟了新的途径。随着树突状细胞功能研究的深入，DC已被作为载体用于开发多种抗肿瘤疫苗（如荷载肿瘤抗原或导入肿瘤抗原RNA），包括黑色素瘤、肾细胞癌、前列腺癌、神经胶质瘤、卵巢癌、白血病等，并在基础研究和临床应用中取得了一定的突破。2009年4月，美国FDA批准了Dendreon公司研发的Provenge®（Sipuleucel-T，一种DC肿瘤疫苗）上市，用于晚期前列腺癌的治疗。这是FDA批准的第一个细胞免疫治疗产品，具有标志性的意义。拉尔夫·斯坦曼本人也曾以树突状细胞制成的肿瘤疫苗治疗他所罹患的胰腺癌，并延长了他的生命。此外，基于DC制成的抗感染疫苗，如乙型肝炎疫苗等也已进入临床试验阶段。
TIR结构域的磷酸化、去泛素化是目前许多小分子工具调节TLR的最终靶点，而近年来研究认为TLRs与许多疾病的病理机制密切相关，致病主要的基因多态性区域多与TIR有关。TLRs不仅识别“异己”，在特定情况下，TLRs可在细胞表面过度表达和激活，甚至识别自身组织成分，最终导致自身免疫性疾病。免疫系统是机体的重要屏障， 从广义上讲，绝大多数疾病的发生、 发展都与免疫系统功能的异常有关系。机体受到免疫入侵时， TLR的激活是免疫反应的起始事件，因此， 以TLR为靶点进行治疗能够实现对感染类疾病更为有效的抑制。
TLR拮抗剂属于免疫抑制剂，可用于治疗免疫系统异常活化的疾病，如败血症、系统性红斑狼疮（SLE）、类 风 湿 关 节 炎（RA）等。TLR9拮抗剂羟氯喹目前是治疗SLE和RA的药物之一，同时它也能拮抗TLR7和TLR8。复合抑制剂CpG52364拮抗TLR7、8、9，可以抑制SLE等天然免疫疾病（动物实验），目前正在进行一期临床实验。同类药物IRS 954、IMO 3100等也在研究中。
结语
三位诺贝尔生理或医学奖获得者的研究发现，极大地创新并完善了免疫学的理论体系，推动了免疫学的发展，使人们对人体免疫系统及其功能有了新的认识：1. 固有免疫和适应性免疫并非是两个孤立的系统，而是一个有机的整体；2. 固有免疫细胞（主要是树突状细胞）介导了对抗原成分的初始识别，并将其加工处理后提呈给T、B淋巴细胞，启动适应性免疫应答（或诱导免疫耐受）；3. 抗原提呈细胞表达的Toll受体介导了其对抗原成分的识别。在此基础上，通过免疫学理论和实践相结合，并与其他生命科学和医学学科相交叉，将有利于开展更加广泛和深入的研究，促进研究成果向临床应用转化，为预防和治疗疾病做出积极的贡献。