促甲狀腺激素影響血糖穩態的分子機制的研究進展

商亞文，王 清

(吉林大學中日聯誼醫院 內分泌代謝科，吉林 長春130033)

甲狀腺疾病(TD)和糖尿病(DM)是兩種最常見的內分泌失調疾病，兩者都涉及多個器官功能受損，關于二者之間的關系研究一直是學術熱點問題，甲狀腺功能障礙與糖尿病之間存在相關性[1]。因此，促甲狀腺激素(TSH)對葡萄糖代謝、胰島素分泌作用的影響值得探討。

1 關于TSH與TSH受體(TSHR)

由腺垂體合成和分泌的TSH是一種糖蛋白，它通過TSHR直接參與甲狀腺和許多非甲狀腺組織功能的調節。TSHR是一種82 kDa蛋白質，屬于G蛋白偶聯受體家族的一員，由α 和 β兩個子單元組成[2]。TSHR主要分布于甲狀腺濾泡細胞膜，它通過結合TSHR來刺激甲狀腺激素的分泌，甲狀腺濾泡細胞膜上TSH受體被激動后，通過其內的PKA信號轉導途徑調節甲狀腺激素的轉錄、合成和釋放。除了甲狀腺組織外，許多其他組織和細胞中也發現有TSHR表達，如腎臟、心臟、胸腺、淋巴細胞、脂肪細胞、成纖維細胞、骨細胞、神經細胞和神經膠質細胞[3]。在肝細胞中，TSH通過增加肝臟ATP結合盒A1亞群(ABCA1)表達以促進肝細胞內膽固醇向細胞外載脂蛋白的流出，從而增加血漿血脂含量，這個過程正是TSH通過結合肝細胞膜表面的TSHR實現的[4]。在胰島細胞中，Rodriguez-Castelan J[5]等通過實驗證明TSHR在大鼠胰腺胰島細胞的表達，并且提出TSH可能直接通過TSHR來調節胰腺胰島的生長。Jingya Lyu[6]團隊利用抗TSH受體α亞單位的抗體從大鼠胰腺中提取出了62 kDa的氨基酸長鏈，通過氨基酸序列分析證明這個氨基酸長鏈就是TSH受體α亞單位，他提出TSH可以使胰腺細胞內與葡萄糖運輸有關的基因表達增加。另外，Robin[7]報道了TSHR-Asp727Glu基因多態性與胰島素抵抗有關，進一步表明TSHR在體內葡萄糖調節中發揮重要的作用。這些甲狀腺外的組織細胞，尤其是肝臟、胰腺、腎臟、骨骼肌等與機體葡萄糖代謝關系密切的組織中存在生理活躍的TSHR，增加了TSH對與甲狀腺疾病相關的血糖穩態與胰島素分泌的分子機制研究的可能性。

2 TSH與胰腺：TSH促進胰島β細胞合成分泌胰島素

臨床上，患有Grave’s病的患者表現出糖耐量異常、高胰島素血癥及胰島素抵抗[8]，而Grave’s病的發病機制為刺激性TSHR抗體與TSH競爭特異性結合的TSHR胞外構象表位抗原決定簇，導致細胞內cAMP生成，甲狀腺細胞增殖，甲狀腺激素產生和釋放增多[9]。Kapadia KB等[10]認為Grave’s病患者胰腺中葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)作用增強是通過刺激性TSHR抗體作用于胰島β細胞TSH受體引起的。另外，橋本氏病(甲狀腺功能減退)的高水平的TSH也增加了血清胰島素濃度[11]，這些臨床數據表明TSHR的激活可能會增加胰島素的分泌。

2.1 TSH促進葡萄糖轉運蛋白2(GLUT2)與葡萄糖激酶(CK)基因表達增加，使胰島β細胞內葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)作用增強

GSIS是胰島β細胞分泌胰島素的主要機制。GLUT2和CK是葡萄糖轉運和葡萄糖磷酸化的關鍵分子。GSIS機制依賴于葡萄糖代謝、CK感知周圍葡萄糖濃度以及GLUT2將葡萄糖轉運至胰島β細胞內三個步驟[10]。GLUTs是12跨膜結構域，末端的氨基和羧基游離在胞漿內，它可以加速葡萄糖進入細胞。GLUTs包含不同的異形體，不同GLUT異形體在葡萄糖代謝中作用不同，這由它的組織表達模式，底物特異性，運輸動力學，以及在不同的生理條件下的調控表達決定[12]。GLUT2轉運體是胰島β細胞轉運葡萄糖的組織特異性轉運體，對胰島β細胞感知葡萄糖的敏感性至關重要，在胰島β細胞加速葡萄糖轉運及促進胰島素釋放中發揮重要的作用[13]。有研究發現在葡萄糖敏感性降低的2型糖尿病患者胰島β細胞GLUT2表達明顯減少[14]。

葡萄糖激酶為GSIS的最主要的限速酶，CK在胰腺細胞感知周圍葡萄糖的能力中起著關鍵作用，CK活動可以在GLUT2含量增加的情況下升高。當血漿葡萄糖濃度升高時，葡萄糖由細胞膜結合的GLUT2轉運進入胰島β細胞中，在葡萄糖激酶作用下催化生成葡糖糖-6-磷酸，從而進入糖酵解途徑，使細胞內ATP濃度升高，細胞內ATP:ADP比例增加引起細胞膜ATP敏感性K+通道關閉，細胞膜去極化，漿膜電壓門控Ca2+通道開放引起胞外Ca2+內流，胞漿內Ca2+蓄積觸發胰島素分泌。

TSH調節GLUT2對葡萄糖的敏感性通過代謝信號級聯和觸發特定的蛋白質激酶A信號通路來實現。Jingya Lyu[6]等通過設計對照試驗，利用蛋白質印記和實時PCR技術證明了TSH可以促進GLUT2 和CK基因表達，且這種促進作用呈劑量依賴性。為了探索TSH誘導GLUT2轉錄的信號轉導通路，Jingya Lyu等應用H-89 (1 μmol/l)，SB (SB203580,1 μmol/l)，STO609 (1 μg/ml)分別抑制蛋白激酶A(PKA)，絲裂原活化蛋白激酶p38(p38MAPK)以及Ca2+/鈣調素蛋白激酶(CaMKK)信號轉導通路，最終證明p38MAPK為TSH上調GLUT2的表達的信號通路。TSH通過p38MAPK信號轉導通路來上調GLUT2的表達，增加胰島β細胞葡萄糖的攝取，從而促進胰島素的釋放。

2.2 TSH通過Stard13誘導F-肌動蛋白的局部解聚，加速胰島素顆粒釋放

肌動蛋白細胞骨架重塑與解聚是在胰島β細胞內調節胰島素釋放的主要機制，一方面肌動蛋白細胞骨架重塑起到物理屏障的作用，阻礙胰島素顆粒釋放(比如F-肌動蛋白)，另一方面它也通過提供胰島素顆粒轉運的軌道參與胰島素的分泌。肌動蛋白細胞骨架重塑和解聚依賴于GDP/GTP循環，這個循環是由Rho家族(G蛋白信號蛋白家族之一)來調控的[15](Rho家族在細胞器形成、細胞骨架運動、細胞運動以及其他細胞基本功能中發揮重要的調控作用)。近年來研究深入的Rho家族包括Cdc42,Rac1,RhoA三個成員，他們在調節細胞骨架運動中作用尤為重要，體外的小鼠細胞中發現Cdc42和Rac1以及它們的效應蛋白PAK1，GEF蛋白Tiam1和RhoGDI對葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)尤其重要[16]。

Stard13是一種RhoGTP酶激動蛋白(RhoGAP)，可以調節許多Rho家族的GTP酶，以往被人認知是因為其在腫瘤細胞中發揮作用，它可以選擇性地激活RhoA和CDC42，通過抑制肌動蛋白壓力纖維組裝來抑制細胞生長[17]。在低分化的肝細胞癌組織中觀察到低水平的Stard13。一項小型研究發現，缺少Stard13的肝細胞癌預后較差，而Stard13陽性癌癥患者的預后較好[18]。Stard13作為胰島素分泌的促泌劑開辟了Stard13研究的新領域。Heike Naumann[19]通過大鼠體內實驗證實了Stard13作用于Rho家族GTP酶來調節F-肌動蛋白細胞骨架解聚，打破肌動蛋白的物理屏障，從而促進胰島素釋放。TSH通過上調GLUT2表達引起胰島β細胞內葡萄糖濃度增加，當細胞內葡萄糖濃度升高時，糖代謝產物的下游分子通過Stard13調節胰島素分泌。TSH通過Stard13誘導F-肌動蛋白的局部解聚在第一時相和第二時相胰島素分泌中都發揮重要的作用，但它卻不會改變胰島素顆粒合成總量，也不會影響胰島β細胞的體積[19]。此調節機制雖然理論上存在合理性，但尚缺乏直接的實驗證據反應TSH與Stard13調節的F-肌動蛋白解聚相關，這可能需要進一步的實驗來驗證。

3 TSH與肝臟：TSH促進肝糖異生及糖原分解，抑制糖原合成

肝臟在維持體內糖代謝穩態方面發揮至關重要的作用。糖異生的主要器官是肝臟，腎臟糖異生作用不足肝臟的1/10。進食后，肝臟會增加葡萄糖的吸收，并將葡萄糖轉化為糖原和脂質。在短期禁食期間，肝臟主要通過糖原分解產生和釋放葡萄糖。在長時間禁食期間，糖原耗盡，肝細胞通過乳酸鹽、丙酮酸、甘油和氨基酸合成葡萄糖，即糖異生。肝臟調控糖異生的關鍵在于調節糖異生的限速酶基因轉錄，這些基因包括磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6PK)，PEPCK可以促進草酰乙酸的脫羧基作用到磷酸烯醇丙酮酸，而G6PK作用在于水解6-磷酸葡萄糖脫磷酸生成葡萄糖，進入葡萄糖生成和糖異生的最后一步。

實驗表明肝臟TSHR敲除后空腹血糖下降，肝臟葡萄糖輸出減少。對肝臟TSHR敲除小鼠實施葡萄糖耐量試驗(OGTT，檢測葡萄糖清除率)、腹腔內胰島素耐量試驗(ITT，檢測胰島素刺激葡萄糖分配能力)、丙酮酸耐受性試驗(PTT，檢測肝臟糖異生能力，由于丙酮酸是糖異生的底物，肝臟是糖異生的主要器官，因此PTT被認為是反映肝臟葡萄糖生成變化的顯示器)發現OGTT實驗中，與野生組相比，實驗組小鼠葡萄糖明顯下降，在葡萄糖負荷后30 min，實驗小鼠的血糖水平為野生型小鼠的62%。ITT實驗兩組間無差異。PTT實驗注射丙酮酸后各時間點血糖水平均明顯低于野生組，實驗組以注射丙酮酸的時間和血糖為坐標繪制的曲線下面積比野生組小大約25%左右，TSHR敲除小鼠較野生組空腹血糖下降到69%，胰島素敏感性增強，肝糖原檢測較對照組大約增加70%[20]。

3.1 TSH通過使CREB(CAMP反應元件結合蛋白)磷酸化(p-CREB)促進肝臟PEPCK和G6PK基因表達增加，抑制AMP刺激性蛋白激酶(AMPK)表達

AMPK被認為是細胞內的能量調節器，在肝臟葡糖糖代謝中發揮重要的作用。AMPK可以使糖原合酶磷酸化，從而促進糖原合成，抑制糖原分解和糖異生[21]。Andrade[22]的研究表明，TSH能抑制甲狀腺中AMPK的激活(磷酸化)，而在肝臟中，這種關系依然成立[20]。CREB為TSH調節的下游分子，它可以促進PEPCK和G6PK基因表達。暴露于TSH20小時后，人肝癌細胞內PEPCK和G6PKmRNA表達較正常分別增加了268%和159%[20]。TSHR敲除的試驗小鼠與野生組相比，肝細胞內p-CREB表達減少，且PEPCK和G6PK表達減少，PCR檢測PEPCK和G6PK蛋白表達明顯減少，而p-AMPK以及其下游分子p-GSK3β表達明顯增加，同時CK表達增加。因此得出結論，TSH一方面使CREB磷酸化激活來促進肝臟PEPCK和G6PK基因表達增加，另一方面，TSH抑制AMPK活化，最終糖異生被激活，糖原合成受抑制，血漿葡萄糖濃度升高。

3.2 TSH通過TSHR/cAMP/PKA途徑激活 CRTC2，促進肝糖異生

CRTC2(調節CREB轉錄因子活性的復核蛋白家族)在維持肝臟內葡萄糖體內平衡方面起著至關重要的作用。空腹時，CRTC2刺激肝臟糖異生啟動，在這個過程中cAMP/PKA 使CRTC2的171位絲氨酸脫磷酸而激活，激活的CRTC2促進肝臟葡萄糖的產生[23]。為了研究TSH是否通過調節糖異生來影響葡萄糖水平以及CRTC2是否與TSH誘發異常的葡萄糖生成有關，研究者們制作了模仿人亞臨床甲減(SCH)的模型小鼠，TSH處理的SCH小鼠出現了血糖升高，與之相伴隨的PEPCK和G6PK基因表達增加。因此，TSH處理的SCH小鼠血糖升高可歸因于其糖異生作用增強。同時，用組織免疫染色檢測到肝臟內CRTC2表達增加，蛋白質印記檢測CRTC2蛋白翻譯也相應增加。給人肝癌細胞株(HepG2)施以TSH與高表達CRTC2的質粒，結果發現TSH促進了轉染CRTC2的質粒171位絲氨酸位點的脫磷酸化。同時給HepG2細胞注射SQ22536( cAMP 抑制劑)和H89 (PKA抑制劑)結果抑制了有TSH-TSHR介導的CRTC2，PEPCK和G6PK表達，表明TSH通過TSHR/cAMP/PKA通路激活 CRTC2[24]，促進肝糖異生。

4 TSH與甲狀腺組織:TSH促進甲狀腺組織攝取和利用葡萄糖

TSH受體(TSHR)在甲狀腺中建立的生物學功能是調節濾泡甲狀腺細胞中甲狀腺激素的合成和分泌;它在控制甲狀腺的生長和發育中也起著重要作用。近來發現甲狀腺組織表達三種葡萄糖轉運蛋白mRNA:GLUT1或紅細胞/HepG2/腦亞型，GLUT2或胰腺細胞/肝亞型，GLUT4或肌肉/脂肪亞型。GLUT1 mRNA占主導地位，GLUT4 mRNA占次要地位，GLUT2 mRNA表達很少。實驗表明TSH可以誘導GLUT1 mRNA表達增加，相應的增加GLUT1蛋白和2-脫氧葡萄糖轉運活性，而GLUT4 mRNA表達減少。TSH對GLUT1和GLUT4 mRNA水平的影響是通過cAMP依賴途徑介導的。這表明在甲狀腺細胞中，TSH至少部分通過增強GLUT1基因表達來刺激葡萄糖轉運[25]。另有研究表示甲狀腺細胞顯示出響應TSH刺激的葡萄糖攝取增加，但GLUT基因的表達似乎沒有受到顯著影響，表明TSH通過影響GLUT定位/易位而不是通過增加GLUT基因表達來影響葡萄糖攝取[26]。TSH通過3-磷脂酰肌醇激酶依賴性信號通路刺激GLUT1向質膜轉移，N端糖基化部分參與了GLUT1的轉運[27]。當然，詳細分析甲狀腺中的葡萄糖轉運蛋白，更好地闡明這些基因和蛋白質在正常和致病組織中受到調節的機制需要技術的改進及深入的研究。

5 TSH與腎臟

腎臟也參與調節葡萄糖穩態，通過糖異生以及從腎小球濾液重新吸收葡萄糖最終增加血糖濃度。腎臟近曲小管中的鈉-葡萄糖協同轉運蛋白 2(SGLT2)重吸收葡萄糖，然后通過位于近曲小管基底外側膜的GLUT2將葡萄糖轉運到血液循環中[28]。研究表明糖尿病人GLUT2和SGLT2的表達增加[29]。SGLT2 抑制劑，如達格列凈和坎格列凈，作為新型降糖藥物，它們的作用機制就是通過抑制SGLT2使腎小管中的葡萄糖不能順利重吸收進入血液而隨尿液排出，從而降低血糖濃度。Teixeira SD[30]的實驗證明T3會增加實驗大鼠24小時尿量和尿糖含量，從而使血糖下降，這些數據可以用在這些動物身上觀察到的腎臟SGLT2表達顯著降低來解釋，這些結果表明T3的作用與SGLT2抑制劑相似，SGLT2抑制劑在嚙齒類動物模型中具有抗糖尿病作用，被認為是一種新的糖尿病治療策略。雖然證據表明腎臟存在TSHR表達[31]，但尚未有證據表明TSH對腎臟葡萄糖代謝有積極作用。

6 TSH與骨骼肌細胞

骨骼肌是體內胰島素刺激下攝取葡萄糖的主要組織，在糖代謝平衡中發揮著重要的作用。Min Kyong Moon[32]研究顯示TSH增加骨骼肌胰島素受體底物(IRS)-1蛋白及其mRNA表達增加從而改善飲食誘導肥胖(DIO)小鼠的骨骼肌胰島素敏感性和糖耐量。TSH可以使基礎狀態及胰島素刺激狀態下的骨骼肌細胞(IRS)-1蛋白表達增加，葡萄糖轉運增加，這是TSH通過PKA/CREB依賴性途徑介導的信號通路實現的。

7 TSH與子宮內膜細胞

雖然子宮內膜在葡萄糖代謝中發揮作用甚微，但TSH對子宮內膜葡萄糖轉運的影響及機制已經得到證實。Lusine Aghajanova[33]等發現正常人子宮內膜細胞胞漿內均存在TSHR免疫染色，增殖期腺上皮的TSHR免疫染色最強，子宮內膜間質細胞在整個月經周期內均有微弱的TSHR染色，子宮內膜癌細胞在TSH中培養48小時后，GLUT-1 mRNA 表達明顯增加，提示TSH通過增加子宮內膜GLUT-1表達來增加葡萄糖的轉運和利用。

8 小結

TSH對血糖穩態與胰島素分泌病理生理效應表明TSH在與葡萄糖相關的代謝疾病方面具有新的臨床意義。甲狀腺功能障礙對糖尿病心血管和代謝功能有潛在的有害影響,TSH對血糖、胰島素作用的分子機制可能部分解釋了這種影響發生的病理生理過程。因此，對于糖尿病患者要系統的篩查甲狀腺功能，尤其是TSH的檢測尤為重要。對于甲功異常的糖尿病患者需要個體化地評估病情必要時要給予系統地治療。針對有甲狀腺功能障礙的糖尿病患者，無論是甲狀腺自身抗體滴度陽性還是TSH升高都要定期做甲功復查，避免TSH對胰島素及血糖乃至心血管系統產生的不利影響加重糖尿病的進展。