甲状腺素信号通路调控自噬机制研究进展

戴松松,刘 昉

(桂林医学院基础医学院解剖学教研室,广西 桂林 541199)

1 甲状腺素概述

甲状腺素由甲状腺产生和分泌,参与调节人体几乎所有组织器官的生长发育和能量代谢,其主要包括两种形式,即四碘甲状腺原氨酸(Thyroxine,T4)和生物活性更强的三碘甲状腺原氨酸(Triiodothyronine,T3)。甲状腺主要产生和分泌的是T4,通过血液循环,T4到达不同的组织器官。脱碘酶(Deiodinase,DIO)蛋白家族是将细胞内T4转化成T3的主要作用蛋白,是细胞获得T3的主要途径,其主要包括DIO1、DIO2和DIO3。然而,其在不同组织和细胞中的表达差异很大,这就导致不同细胞内T3的水平是不同的:DIO1是一个膜蛋白,主要在肝脏、甲状腺和肾脏中表达,能将T4转化为T3,使甲状腺素发挥出最大活性;DIO2则表达在内质网上,负责将细胞内的T3转移到核内,发挥T3的基因作用;DIO3与前两者相反,是一种使甲状腺素失活的酶,通过将T4转化成反T3(Reverse T3,rT3)或将T3转化成T2,降低其生物活性[1]。

甲状腺素在细胞内主要通过两个方面发挥作用。一方面,甲状腺素既能通过与甲状腺素核受体(Thyroid hormone nuclear receptors,TRs)和甲状腺激素反应元件(Thyroid hormone response element,TRE)结合,在转录水平影响下游基因的表达,称为甲状腺素的基因功能。另一方面,与前述进入细胞核发挥作用不同,甲状腺素还可以通过与细胞膜上的受体结合,从而影响下游的细胞信号传递,或是与不同信号通路发生相互作用,称为甲状腺素的非基因功能[2]。

虽然甲状腺素作用的分子机制尚未完全明确,但是不能否认的是,甲状腺素及其信号通路对细胞具有两面性。在生理状况下,甲状腺素参与调控了包括细胞生长发育、炎症发生、呼吸代谢等多种细胞生命活动,对维持细胞正常的活动至关重要。若甲状腺素及其信号通路出现异常,如出现甲状腺功能亢进等情况,则会对机体造成实质性的损害。

2 自噬概述

自噬是一种在生物界高度保守的细胞生命活动,是有关细胞代谢及其内容物降解的关键途径。完整的自噬体是一个球状的双膜结构,被认为是自噬的起点。从半球状开始,自噬体逐渐延长和扩大,在这个过程中自噬体会将要降解的蛋白和受损的器官等包裹在其中。随后,自噬体会与溶酶体融合形成自噬溶酶体,将内容物降解[3]。

自噬在细胞中发挥着重要作用。一方面,当受到外部刺激(如饥饿、缺氧、氧化压力等)而处于应激状态时,细胞内部会产生错误折叠的蛋白,同时细胞器会受损,失去应有的功能。两者的不断累积将破坏细胞稳态,使机体情况恶化,最终发展成不同形式的疾病。而自噬能产生自噬体,将错误折叠蛋白和受损器官包裹在其中,然后转运到溶酶体中降解分解,减轻细胞压力[4]。另一方面,当细胞处于饥饿状态时,自噬能分解大分子物质,生成氨基酸、脂肪酸等代谢底物,从而维持细胞的能量供应[5]。因此,维持自噬在一定的水平有助于细胞进行正常的生理活动。

随着对自噬的研究逐渐深入,研究人员发现自噬在治疗领域具有巨大的潜力,自噬在肿瘤和多种系统性疾病等方面的研究上取得了较大的突破和进展。然而,在甲状腺素信号通路的研究当中,虽然近年来有越来越多的关于自噬机制与甲状腺素信号通路关系的研究出现,但是由于二者都有对细胞和机体复杂的两面作用,我们难以得出两者确切的作用关系。因此,本文总结了近年来有关自噬与甲状腺素信号通路相互作用的研究,旨在明确两者的关系,为后续更深入的研究提供理论依据。

3 甲状腺素信号通路在调控自噬机制中的作用

3.1 肝 脏 非酒精性脂肪性肝病是一类代谢相关的脂肪性肝病,可分为单纯性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎及其相关肝硬化。通常情况下,患者无长期、过量的饮酒史但在病理上出现5%以上肝脏细胞发生纤维化的病理特征[6-7]。据估算,其在全球成年人中发病率高达25%[8],给患者及其国家医疗系统带来沉重的负担。自噬机制参与了非酒精性脂肪肝的发展过程。在非酒精性脂肪肝细胞中,微管相关蛋白1轻链3Ⅱ(LC3Ⅱ)和选择性自噬接头蛋白1(SQSTM1)的蛋白表达水平同时增多,细胞自噬流受到明显抑制,这在一定程度上助长了后续肝脏的炎症和纤维化等病理过程。然而,甲状腺素或许能减缓上述的过程。研究[9]表明,长期的甲状腺素的刺激能激活肝脏细胞的自噬,改变非酒精性酒精肝脏细胞的脂质代谢谱,促进线粒体的脂质β-氧化功能,降低脂质代谢堆积的毒性代谢产物,降低脂质毒性,减少炎症的发生。不仅如此,有关肝癌的研究也向我们揭示了甲状腺素在选择性自噬方面中的作用机制。研究[10]表明,甲状腺素能通过TRs和转录因子死亡相关蛋白激酶2(DAPK2)的相互作用激活肝癌细胞中的自噬,进而抑制了肿瘤的恶化,而这种自噬是依赖自噬相关蛋白7(ATG7)发挥作用的。

3.2 心 脏 相对而言,心脏组织对甲状腺素的变化是比较敏感的,无论甲亢还是甲减,无论是明显的还是亚临床的都会影响心脏的功能。一方面,甲状腺亢进会导致心动过速、心搏出量增多、心肌纤维化和病理性肥大。另一方面,甲状腺减弱则会导致相反的效果,长期甲减会导致心动过缓、心搏出量减少等,并最终导致心脏萎缩[11-12]。此外,在慢性心力衰竭患者中往往并发不同程度的甲状腺功能减退,对甲减的治疗也在一定程度上减缓心力衰竭的程度[13]。我们课题组过去的研究也证明了类似的效果。同时,我们的研究结果还表明这些病理状态与自噬或线粒体自噬被过度激活有关。我们通过miR-762或过表达线粒体融合蛋白1(Mfn1)抑制自噬,促进线粒体融合后,发现能明显减缓甲状腺亢进引起的心肌肥大等病理效果[14]。这提示我们自噬机制具有治疗病理性心肌肥大的潜力,值得更进一步的研究。

3.3 脂肪组织 它是一种动态的组织,其分布、大小和细胞组成等会随着生理和病理状态的变化而发生改变。在生理情况下,其主要分布在人体皮下、腹腔、心脏和血管周围,起到产热、储能和分泌激素和脂肪因子的作用[15]。脂肪组织可以分为白色脂肪组织、棕色脂肪组织和浅褐色脂肪组织,其中发挥产热功能的主要是棕色脂肪组织。最近有研究表明,T3还能通过与甲状腺素受体α的mRNA结合促进脂肪细胞祖细胞增殖,这部分脂肪细胞祖细胞最后分化成棕色脂肪细胞,促进脂肪组织的产热和增生,提高机体对外界低温的应对能力[16]。尽管在机制上与寒冷刺激不同,但研究表明适量的甲状腺素能激活棕色脂肪组织,提高细胞的代谢水平,在刺激生成更多线粒体的同时还抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的表达,促进自噬相关蛋白5(Atg5)依赖的线粒体自噬,清除功能紊乱的线粒体,减轻细胞的氧化压力[17]。

3.4 骨骼肌 这是人体中最大组织之一。人体大约含有600块骨骼肌,贡献了大约40%的体重。骨骼肌的主要功能是通过肌纤维收缩维持身体姿势或带动身体关节运动,同时还兼具调节身体能量的作用[18]。由此可以预见,作为“能量工厂”的线粒体在骨骼肌细胞中的地位十分重要,维持线粒体的健康和数量有利于骨骼肌和全身的健康[19-20]。在过去的研究[21-23]中,适当的甲状腺素和自噬都分别被证明对维持骨骼肌的线粒体健康有积极的作用,但两者的相互关系并不明确。Lesmana等[24]的研究填补了这个领域的空白:甲状腺素激活的自噬能增强肌肉组织整体的代谢水平,使骨骼肌生成ATP和消耗氧气的量提高,还能使细胞生成更多的线粒体。在分子机制上,甲状腺素这一系列的作用是通过Unc-51样激酶1(ULK1)-腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)-mTOR通路实现的,甲状腺素不仅在蛋白质水平上影响LC3、SQSTM1等自噬标记蛋白的表达,还在转录水平上提高这些蛋白的mRNA水平。

3.5 骨形成 人的骨细胞主要包括骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞四种主要的细胞类型,前三者由间质干细胞分化形成,而破骨细胞则来自于造血干细胞。破骨细胞将旧的骨基质消化重吸收,成骨细胞形成骨架并发育为骨细胞,组成骨单位。正常的骨发育和损伤后修复是成骨细胞和破骨细胞活动达到相对平衡的结果,而这种动态平衡受到甲状腺素的调控。一方面,在骨的生长成熟阶段,甲状腺素能促进软骨细胞和成骨细胞增殖和分化,加速软骨矿物堆积,使软骨提早钙化。尽管如此,临床的数据却指出血清游离甲状腺素(FT4)水平更高的儿童骨密度反而更少[25]。另一方面,成年人需要有平衡的骨吸收和骨形成水平才能维持骨的正常功能,这些功能一定程度上依赖正常甲状腺素水平发挥作用。当血清中甲状腺素降低以后,骨组织的自噬水平降低,骨生成减少,导致骨密度降低[26]。然而在甲状腺功能亢进的情况下,成骨细胞内转化生长因子β(TGF-β)/Smad信号通路被激活,加速了成骨细胞的分化成熟,骨转化作用明显,因而导致严重的骨小梁丢失[27]。由此可见,维持正常的甲状腺素水平对维持骨密度有十分重要的意义。

3.6 宫腔粘连 这是宫腔内窥镜术后常见的并发症之一。在受到外界的刺激后,子宫内壁发生粘连导致宫腔狭窄,导致宫腔积血和严重的盆腔疼痛,严重的情况下子宫内膜会消失并且出现结缔组织。宫腔粘连的治疗一直都是临床上的难点,即使使用宫腔镜开展宫腔粘连分离术,术后也存在较高的复发率,因此阐明其分子机制是治疗宫腔粘连领域的研究重点之一。Zhou等[28]在发生宫腔内膜粘连的患者身上发现,虽然血清中促甲状腺素(TSH)、血清游离三碘甲状腺原氨酸(FT3)和FT4没有明显的变化,但子宫内膜中DIO2的表达明显降低,这阻碍了细胞内T4向T3转化,甲状腺素信号通路下游作用被削弱,随之而来的是甲状腺素对丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节蛋白激酶(ERK)/mTOR通路的调控减弱,抑制了细胞的自噬,助长了上皮间质转化,加重了子宫内膜的纤维化,最终导致不孕不育。

3.7 神经系统 适当的甲状腺素和自噬水平对维持神经细胞正常的生理功能和损伤后细胞恢复起到十分重要的作用。个体发育过程中缺少甲状腺素会导致认知功能障碍,这是因为甲减会抑制海马细胞ULK1和mTOR的磷酸化,提高细胞的自噬水平,同时还伴随着细胞内白细胞介素-1α(IL-1α)和IL-1β,细胞出现凋亡。同时,王松海等[29]研究也表明帕金森的病程进展与过高的自噬水平相关联。而研究还表明甲状腺素在外伤性脑损伤后修复的过程中发挥着作用,其一是促进PINK1表达,引起线粒体自噬,清除外伤性脑损伤导致的损伤的线粒体,减少由此产生的氧化压力;其次,虽然具体机制有待深入研究,但T3能通过促进神经元和神经干细胞之间的串扰,促进外伤性脑损伤后神经元再生,并且这种再生目前看来是需要线粒体自噬参与的。

3.8 听力系统 毛细胞在哺乳动物听觉形成当中发挥着重要的作用,位于耳蜗内,负责将外界的声音刺激转化成电信号,并通过听觉神经传导至中枢。对毛细胞的研究是了解听觉的重要一环,也是听觉损伤治疗中不可或缺的地方。早在1996年,Brucker-Davis等[30]就发现TRβ表达异常与听力系统损伤有关联。同年,Forrest 等[31]发现TRβ是在机体发育过程影响听力的。最近,Affortit等[32]研究发现,TRα变异的小鼠除了毛细胞的生长发育出现异常外,螺旋神经节细胞内还出现了明显的自噬泡,这种现象伴随着细胞内抗氧化的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶2(SOD2)减少,表明在甲状腺素信号通路有所缺失的条件下,螺旋神经节细胞面临的氧化压力增多,细胞会通过自噬缓解一部分由此产生的压力。

4 结 语

甲状腺素信号通路与自噬机制有十分紧密的联系,且都对机体生长发育和维持生理功能起到重要作用。但不同的是,它们在不同细胞或疾病中作用相去甚远,同时两者对机体具有两面性,既有有利的一面,也会出现损害细胞的情况,错综复杂,这让明确两者的关系变得十分困难。因此,在甲状腺素信号通路与自噬机制的相互作用方面有待更深入和细致的研究。