促甲状腺激素影响血糖稳态的分子机制的研究进展

商亚文，王 清

(吉林大学中日联谊医院 内分泌代谢科，吉林 长春130033)

甲状腺疾病(TD)和糖尿病(DM)是两种最常见的内分泌失调疾病，两者都涉及多个器官功能受损，关于二者之间的关系研究一直是学术热点问题，甲状腺功能障碍与糖尿病之间存在相关性[1]。因此，促甲状腺激素(TSH)对葡萄糖代谢、胰岛素分泌作用的影响值得探讨。

1 关于TSH与TSH受体(TSHR)

由腺垂体合成和分泌的TSH是一种糖蛋白，它通过TSHR直接参与甲状腺和许多非甲状腺组织功能的调节。TSHR是一种82 kDa蛋白质，属于G蛋白偶联受体家族的一员，由α 和 β两个子单元组成[2]。TSHR主要分布于甲状腺滤泡细胞膜，它通过结合TSHR来刺激甲状腺激素的分泌，甲状腺滤泡细胞膜上TSH受体被激动后，通过其内的PKA信号转导途径调节甲状腺激素的转录、合成和释放。除了甲状腺组织外，许多其他组织和细胞中也发现有TSHR表达，如肾脏、心脏、胸腺、淋巴细胞、脂肪细胞、成纤维细胞、骨细胞、神经细胞和神经胶质细胞[3]。在肝细胞中，TSH通过增加肝脏ATP结合盒A1亚群(ABCA1)表达以促进肝细胞内胆固醇向细胞外载脂蛋白的流出，从而增加血浆血脂含量，这个过程正是TSH通过结合肝细胞膜表面的TSHR实现的[4]。在胰岛细胞中，Rodriguez-Castelan J[5]等通过实验证明TSHR在大鼠胰腺胰岛细胞的表达，并且提出TSH可能直接通过TSHR来调节胰腺胰岛的生长。Jingya Lyu[6]团队利用抗TSH受体α亚单位的抗体从大鼠胰腺中提取出了62 kDa的氨基酸长链，通过氨基酸序列分析证明这个氨基酸长链就是TSH受体α亚单位，他提出TSH可以使胰腺细胞内与葡萄糖运输有关的基因表达增加。另外，Robin[7]报道了TSHR-Asp727Glu基因多态性与胰岛素抵抗有关，进一步表明TSHR在体内葡萄糖调节中发挥重要的作用。这些甲状腺外的组织细胞，尤其是肝脏、胰腺、肾脏、骨骼肌等与机体葡萄糖代谢关系密切的组织中存在生理活跃的TSHR，增加了TSH对与甲状腺疾病相关的血糖稳态与胰岛素分泌的分子机制研究的可能性。

2 TSH与胰腺：TSH促进胰岛β细胞合成分泌胰岛素

临床上，患有Grave’s病的患者表现出糖耐量异常、高胰岛素血症及胰岛素抵抗[8]，而Grave’s病的发病机制为刺激性TSHR抗体与TSH竞争特异性结合的TSHR胞外构象表位抗原决定簇，导致细胞内cAMP生成，甲状腺细胞增殖，甲状腺激素产生和释放增多[9]。Kapadia KB等[10]认为Grave’s病患者胰腺中葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)作用增强是通过刺激性TSHR抗体作用于胰岛β细胞TSH受体引起的。另外，桥本氏病(甲状腺功能减退)的高水平的TSH也增加了血清胰岛素浓度[11]，这些临床数据表明TSHR的激活可能会增加胰岛素的分泌。

2.1 TSH促进葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)与葡萄糖激酶(CK)基因表达增加，使胰岛β细胞内葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)作用增强

GSIS是胰岛β细胞分泌胰岛素的主要机制。GLUT2和CK是葡萄糖转运和葡萄糖磷酸化的关键分子。GSIS机制依赖于葡萄糖代谢、CK感知周围葡萄糖浓度以及GLUT2将葡萄糖转运至胰岛β细胞内三个步骤[10]。GLUTs是12跨膜结构域，末端的氨基和羧基游离在胞浆内，它可以加速葡萄糖进入细胞。GLUTs包含不同的异形体，不同GLUT异形体在葡萄糖代谢中作用不同，这由它的组织表达模式，底物特异性，运输动力学，以及在不同的生理条件下的调控表达决定[12]。GLUT2转运体是胰岛β细胞转运葡萄糖的组织特异性转运体，对胰岛β细胞感知葡萄糖的敏感性至关重要，在胰岛β细胞加速葡萄糖转运及促进胰岛素释放中发挥重要的作用[13]。有研究发现在葡萄糖敏感性降低的2型糖尿病患者胰岛β细胞GLUT2表达明显减少[14]。

葡萄糖激酶为GSIS的最主要的限速酶，CK在胰腺细胞感知周围葡萄糖的能力中起着关键作用，CK活动可以在GLUT2含量增加的情况下升高。当血浆葡萄糖浓度升高时，葡萄糖由细胞膜结合的GLUT2转运进入胰岛β细胞中，在葡萄糖激酶作用下催化生成葡糖糖-6-磷酸，从而进入糖酵解途径，使细胞内ATP浓度升高，细胞内ATP:ADP比例增加引起细胞膜ATP敏感性K+通道关闭，细胞膜去极化，浆膜电压门控Ca2+通道开放引起胞外Ca2+内流，胞浆内Ca2+蓄积触发胰岛素分泌。

TSH调节GLUT2对葡萄糖的敏感性通过代谢信号级联和触发特定的蛋白质激酶A信号通路来实现。Jingya Lyu[6]等通过设计对照试验，利用蛋白质印记和实时PCR技术证明了TSH可以促进GLUT2 和CK基因表达，且这种促进作用呈剂量依赖性。为了探索TSH诱导GLUT2转录的信号转导通路，Jingya Lyu等应用H-89 (1 μmol/l)，SB (SB203580,1 μmol/l)，STO609 (1 μg/ml)分别抑制蛋白激酶A(PKA)，丝裂原活化蛋白激酶p38(p38MAPK)以及Ca2+/钙调素蛋白激酶(CaMKK)信号转导通路，最终证明p38MAPK为TSH上调GLUT2的表达的信号通路。TSH通过p38MAPK信号转导通路来上调GLUT2的表达，增加胰岛β细胞葡萄糖的摄取，从而促进胰岛素的释放。

2.2 TSH通过Stard13诱导F-肌动蛋白的局部解聚，加速胰岛素颗粒释放

肌动蛋白细胞骨架重塑与解聚是在胰岛β细胞内调节胰岛素释放的主要机制，一方面肌动蛋白细胞骨架重塑起到物理屏障的作用，阻碍胰岛素颗粒释放(比如F-肌动蛋白)，另一方面它也通过提供胰岛素颗粒转运的轨道参与胰岛素的分泌。肌动蛋白细胞骨架重塑和解聚依赖于GDP/GTP循环，这个循环是由Rho家族(G蛋白信号蛋白家族之一)来调控的[15](Rho家族在细胞器形成、细胞骨架运动、细胞运动以及其他细胞基本功能中发挥重要的调控作用)。近年来研究深入的Rho家族包括Cdc42,Rac1,RhoA三个成员，他们在调节细胞骨架运动中作用尤为重要，体外的小鼠细胞中发现Cdc42和Rac1以及它们的效应蛋白PAK1，GEF蛋白Tiam1和RhoGDI对葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)尤其重要[16]。

Stard13是一种RhoGTP酶激动蛋白(RhoGAP)，可以调节许多Rho家族的GTP酶，以往被人认知是因为其在肿瘤细胞中发挥作用，它可以选择性地激活RhoA和CDC42，通过抑制肌动蛋白压力纤维组装来抑制细胞生长[17]。在低分化的肝细胞癌组织中观察到低水平的Stard13。一项小型研究发现，缺少Stard13的肝细胞癌预后较差，而Stard13阳性癌症患者的预后较好[18]。Stard13作为胰岛素分泌的促泌剂开辟了Stard13研究的新领域。Heike Naumann[19]通过大鼠体内实验证实了Stard13作用于Rho家族GTP酶来调节F-肌动蛋白细胞骨架解聚，打破肌动蛋白的物理屏障，从而促进胰岛素释放。TSH通过上调GLUT2表达引起胰岛β细胞内葡萄糖浓度增加，当细胞内葡萄糖浓度升高时，糖代谢产物的下游分子通过Stard13调节胰岛素分泌。TSH通过Stard13诱导F-肌动蛋白的局部解聚在第一时相和第二时相胰岛素分泌中都发挥重要的作用，但它却不会改变胰岛素颗粒合成总量，也不会影响胰岛β细胞的体积[19]。此调节机制虽然理论上存在合理性，但尚缺乏直接的实验证据反应TSH与Stard13调节的F-肌动蛋白解聚相关，这可能需要进一步的实验来验证。

3 TSH与肝脏：TSH促进肝糖异生及糖原分解，抑制糖原合成

肝脏在维持体内糖代谢稳态方面发挥至关重要的作用。糖异生的主要器官是肝脏，肾脏糖异生作用不足肝脏的1/10。进食后，肝脏会增加葡萄糖的吸收，并将葡萄糖转化为糖原和脂质。在短期禁食期间，肝脏主要通过糖原分解产生和释放葡萄糖。在长时间禁食期间，糖原耗尽，肝细胞通过乳酸盐、丙酮酸、甘油和氨基酸合成葡萄糖，即糖异生。肝脏调控糖异生的关键在于调节糖异生的限速酶基因转录，这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可以促进草酰乙酸的脱羧基作用到磷酸烯醇丙酮酸，而G6PK作用在于水解6-磷酸葡萄糖脱磷酸生成葡萄糖，进入葡萄糖生成和糖异生的最后一步。

实验表明肝脏TSHR敲除后空腹血糖下降，肝脏葡萄糖输出减少。对肝脏TSHR敲除小鼠实施葡萄糖耐量试验(OGTT，检测葡萄糖清除率)、腹腔内胰岛素耐量试验(ITT，检测胰岛素刺激葡萄糖分配能力)、丙酮酸耐受性试验(PTT，检测肝脏糖异生能力，由于丙酮酸是糖异生的底物，肝脏是糖异生的主要器官，因此PTT被认为是反映肝脏葡萄糖生成变化的显示器)发现OGTT实验中，与野生组相比，实验组小鼠葡萄糖明显下降，在葡萄糖负荷后30 min，实验小鼠的血糖水平为野生型小鼠的62%。ITT实验两组间无差异。PTT实验注射丙酮酸后各时间点血糖水平均明显低于野生组，实验组以注射丙酮酸的时间和血糖为坐标绘制的曲线下面积比野生组小大约25%左右，TSHR敲除小鼠较野生组空腹血糖下降到69%，胰岛素敏感性增强，肝糖原检测较对照组大约增加70%[20]。

3.1 TSH通过使CREB(CAMP反应元件结合蛋白)磷酸化(p-CREB)促进肝脏PEPCK和G6PK基因表达增加，抑制AMP刺激性蛋白激酶(AMPK)表达

AMPK被认为是细胞内的能量调节器，在肝脏葡糖糖代谢中发挥重要的作用。AMPK可以使糖原合酶磷酸化，从而促进糖原合成，抑制糖原分解和糖异生[21]。Andrade[22]的研究表明，TSH能抑制甲状腺中AMPK的激活(磷酸化)，而在肝脏中，这种关系依然成立[20]。CREB为TSH调节的下游分子，它可以促进PEPCK和G6PK基因表达。暴露于TSH20小时后，人肝癌细胞内PEPCK和G6PKmRNA表达较正常分别增加了268%和159%[20]。TSHR敲除的试验小鼠与野生组相比，肝细胞内p-CREB表达减少，且PEPCK和G6PK表达减少，PCR检测PEPCK和G6PK蛋白表达明显减少，而p-AMPK以及其下游分子p-GSK3β表达明显增加，同时CK表达增加。因此得出结论，TSH一方面使CREB磷酸化激活来促进肝脏PEPCK和G6PK基因表达增加，另一方面，TSH抑制AMPK活化，最终糖异生被激活，糖原合成受抑制，血浆葡萄糖浓度升高。

3.2 TSH通过TSHR/cAMP/PKA途径激活 CRTC2，促进肝糖异生

CRTC2(调节CREB转录因子活性的复核蛋白家族)在维持肝脏内葡萄糖体内平衡方面起着至关重要的作用。空腹时，CRTC2刺激肝脏糖异生启动，在这个过程中cAMP/PKA 使CRTC2的171位丝氨酸脱磷酸而激活，激活的CRTC2促进肝脏葡萄糖的产生[23]。为了研究TSH是否通过调节糖异生来影响葡萄糖水平以及CRTC2是否与TSH诱发异常的葡萄糖生成有关，研究者们制作了模仿人亚临床甲减(SCH)的模型小鼠，TSH处理的SCH小鼠出现了血糖升高，与之相伴随的PEPCK和G6PK基因表达增加。因此，TSH处理的SCH小鼠血糖升高可归因于其糖异生作用增强。同时，用组织免疫染色检测到肝脏内CRTC2表达增加，蛋白质印记检测CRTC2蛋白翻译也相应增加。给人肝癌细胞株(HepG2)施以TSH与高表达CRTC2的质粒，结果发现TSH促进了转染CRTC2的质粒171位丝氨酸位点的脱磷酸化。同时给HepG2细胞注射SQ22536( cAMP 抑制剂)和H89 (PKA抑制剂)结果抑制了有TSH-TSHR介导的CRTC2，PEPCK和G6PK表达，表明TSH通过TSHR/cAMP/PKA通路激活 CRTC2[24]，促进肝糖异生。

4 TSH与甲状腺组织:TSH促进甲状腺组织摄取和利用葡萄糖

TSH受体(TSHR)在甲状腺中建立的生物学功能是调节滤泡甲状腺细胞中甲状腺激素的合成和分泌;它在控制甲状腺的生长和发育中也起着重要作用。近来发现甲状腺组织表达三种葡萄糖转运蛋白mRNA:GLUT1或红细胞/HepG2/脑亚型，GLUT2或胰腺细胞/肝亚型，GLUT4或肌肉/脂肪亚型。GLUT1 mRNA占主导地位，GLUT4 mRNA占次要地位，GLUT2 mRNA表达很少。实验表明TSH可以诱导GLUT1 mRNA表达增加，相应的增加GLUT1蛋白和2-脱氧葡萄糖转运活性，而GLUT4 mRNA表达减少。TSH对GLUT1和GLUT4 mRNA水平的影响是通过cAMP依赖途径介导的。这表明在甲状腺细胞中，TSH至少部分通过增强GLUT1基因表达来刺激葡萄糖转运[25]。另有研究表示甲状腺细胞显示出响应TSH刺激的葡萄糖摄取增加，但GLUT基因的表达似乎没有受到显著影响，表明TSH通过影响GLUT定位/易位而不是通过增加GLUT基因表达来影响葡萄糖摄取[26]。TSH通过3-磷脂酰肌醇激酶依赖性信号通路刺激GLUT1向质膜转移，N端糖基化部分参与了GLUT1的转运[27]。当然，详细分析甲状腺中的葡萄糖转运蛋白，更好地阐明这些基因和蛋白质在正常和致病组织中受到调节的机制需要技术的改进及深入的研究。

5 TSH与肾脏

肾脏也参与调节葡萄糖稳态，通过糖异生以及从肾小球滤液重新吸收葡萄糖最终增加血糖浓度。肾脏近曲小管中的钠-葡萄糖协同转运蛋白 2(SGLT2)重吸收葡萄糖，然后通过位于近曲小管基底外侧膜的GLUT2将葡萄糖转运到血液循环中[28]。研究表明糖尿病人GLUT2和SGLT2的表达增加[29]。SGLT2 抑制剂，如达格列净和坎格列净，作为新型降糖药物，它们的作用机制就是通过抑制SGLT2使肾小管中的葡萄糖不能顺利重吸收进入血液而随尿液排出，从而降低血糖浓度。Teixeira SD[30]的实验证明T3会增加实验大鼠24小时尿量和尿糖含量，从而使血糖下降，这些数据可以用在这些动物身上观察到的肾脏SGLT2表达显著降低来解释，这些结果表明T3的作用与SGLT2抑制剂相似，SGLT2抑制剂在啮齿类动物模型中具有抗糖尿病作用，被认为是一种新的糖尿病治疗策略。虽然证据表明肾脏存在TSHR表达[31]，但尚未有证据表明TSH对肾脏葡萄糖代谢有积极作用。

6 TSH与骨骼肌细胞

骨骼肌是体内胰岛素刺激下摄取葡萄糖的主要组织，在糖代谢平衡中发挥着重要的作用。Min Kyong Moon[32]研究显示TSH增加骨骼肌胰岛素受体底物(IRS)-1蛋白及其mRNA表达增加从而改善饮食诱导肥胖(DIO)小鼠的骨骼肌胰岛素敏感性和糖耐量。TSH可以使基础状态及胰岛素刺激状态下的骨骼肌细胞(IRS)-1蛋白表达增加，葡萄糖转运增加，这是TSH通过PKA/CREB依赖性途径介导的信号通路实现的。

7 TSH与子宫内膜细胞

虽然子宫内膜在葡萄糖代谢中发挥作用甚微，但TSH对子宫内膜葡萄糖转运的影响及机制已经得到证实。Lusine Aghajanova[33]等发现正常人子宫内膜细胞胞浆内均存在TSHR免疫染色，增殖期腺上皮的TSHR免疫染色最强，子宫内膜间质细胞在整个月经周期内均有微弱的TSHR染色，子宫内膜癌细胞在TSH中培养48小时后，GLUT-1 mRNA 表达明显增加，提示TSH通过增加子宫内膜GLUT-1表达来增加葡萄糖的转运和利用。

8 小结

TSH对血糖稳态与胰岛素分泌病理生理效应表明TSH在与葡萄糖相关的代谢疾病方面具有新的临床意义。甲状腺功能障碍对糖尿病心血管和代谢功能有潜在的有害影响,TSH对血糖、胰岛素作用的分子机制可能部分解释了这种影响发生的病理生理过程。因此，对于糖尿病患者要系统的筛查甲状腺功能，尤其是TSH的检测尤为重要。对于甲功异常的糖尿病患者需要个体化地评估病情必要时要给予系统地治疗。针对有甲状腺功能障碍的糖尿病患者，无论是甲状腺自身抗体滴度阳性还是TSH升高都要定期做甲功复查，避免TSH对胰岛素及血糖乃至心血管系统产生的不利影响加重糖尿病的进展。