甲狀腺素信號通路調控自噬機制研究進展

戴松松,劉 昉

(桂林醫學院基礎醫學院解剖學教研室,廣西 桂林 541199)

1 甲狀腺素概述

甲狀腺素由甲狀腺產生和分泌,參與調節人體幾乎所有組織器官的生長發育和能量代謝,其主要包括兩種形式,即四碘甲狀腺原氨酸(Thyroxine,T4)和生物活性更強的三碘甲狀腺原氨酸(Triiodothyronine,T3)。甲狀腺主要產生和分泌的是T4,通過血液循環,T4到達不同的組織器官。脫碘酶(Deiodinase,DIO)蛋白家族是將細胞內T4轉化成T3的主要作用蛋白,是細胞獲得T3的主要途徑,其主要包括DIO1、DIO2和DIO3。然而,其在不同組織和細胞中的表達差異很大,這就導致不同細胞內T3的水平是不同的:DIO1是一個膜蛋白,主要在肝臟、甲狀腺和腎臟中表達,能將T4轉化為T3,使甲狀腺素發揮出最大活性;DIO2則表達在內質網上,負責將細胞內的T3轉移到核內,發揮T3的基因作用;DIO3與前兩者相反,是一種使甲狀腺素失活的酶,通過將T4轉化成反T3(Reverse T3,rT3)或將T3轉化成T2,降低其生物活性[1]。

甲狀腺素在細胞內主要通過兩個方面發揮作用。一方面,甲狀腺素既能通過與甲狀腺素核受體(Thyroid hormone nuclear receptors,TRs)和甲狀腺激素反應元件(Thyroid hormone response element,TRE)結合,在轉錄水平影響下游基因的表達,稱為甲狀腺素的基因功能。另一方面,與前述進入細胞核發揮作用不同,甲狀腺素還可以通過與細胞膜上的受體結合,從而影響下游的細胞信號傳遞,或是與不同信號通路發生相互作用,稱為甲狀腺素的非基因功能[2]。

雖然甲狀腺素作用的分子機制尚未完全明確,但是不能否認的是,甲狀腺素及其信號通路對細胞具有兩面性。在生理狀況下,甲狀腺素參與調控了包括細胞生長發育、炎癥發生、呼吸代謝等多種細胞生命活動,對維持細胞正常的活動至關重要。若甲狀腺素及其信號通路出現異常,如出現甲狀腺功能亢進等情況,則會對機體造成實質性的損害。

2 自噬概述

自噬是一種在生物界高度保守的細胞生命活動,是有關細胞代謝及其內容物降解的關鍵途徑。完整的自噬體是一個球狀的雙膜結構,被認為是自噬的起點。從半球狀開始,自噬體逐漸延長和擴大,在這個過程中自噬體會將要降解的蛋白和受損的器官等包裹在其中。隨后,自噬體會與溶酶體融合形成自噬溶酶體,將內容物降解[3]。

自噬在細胞中發揮著重要作用。一方面,當受到外部刺激(如饑餓、缺氧、氧化壓力等)而處于應激狀態時,細胞內部會產生錯誤折疊的蛋白,同時細胞器會受損,失去應有的功能。兩者的不斷累積將破壞細胞穩態,使機體情況惡化,最終發展成不同形式的疾病。而自噬能產生自噬體,將錯誤折疊蛋白和受損器官包裹在其中,然后轉運到溶酶體中降解分解,減輕細胞壓力[4]。另一方面,當細胞處于饑餓狀態時,自噬能分解大分子物質,生成氨基酸、脂肪酸等代謝底物,從而維持細胞的能量供應[5]。因此,維持自噬在一定的水平有助于細胞進行正常的生理活動。

隨著對自噬的研究逐漸深入,研究人員發現自噬在治療領域具有巨大的潛力,自噬在腫瘤和多種系統性疾病等方面的研究上取得了較大的突破和進展。然而,在甲狀腺素信號通路的研究當中,雖然近年來有越來越多的關于自噬機制與甲狀腺素信號通路關系的研究出現,但是由于二者都有對細胞和機體復雜的兩面作用,我們難以得出兩者確切的作用關系。因此,本文總結了近年來有關自噬與甲狀腺素信號通路相互作用的研究,旨在明確兩者的關系,為后續更深入的研究提供理論依據。

3 甲狀腺素信號通路在調控自噬機制中的作用

3.1 肝 臟 非酒精性脂肪性肝病是一類代謝相關的脂肪性肝病,可分為單純性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎及其相關肝硬化。通常情況下,患者無長期、過量的飲酒史但在病理上出現5%以上肝臟細胞發生纖維化的病理特征[6-7]。據估算,其在全球成年人中發病率高達25%[8],給患者及其國家醫療系統帶來沉重的負擔。自噬機制參與了非酒精性脂肪肝的發展過程。在非酒精性脂肪肝細胞中,微管相關蛋白1輕鏈3Ⅱ(LC3Ⅱ)和選擇性自噬接頭蛋白1(SQSTM1)的蛋白表達水平同時增多,細胞自噬流受到明顯抑制,這在一定程度上助長了后續肝臟的炎癥和纖維化等病理過程。然而,甲狀腺素或許能減緩上述的過程。研究[9]表明,長期的甲狀腺素的刺激能激活肝臟細胞的自噬,改變非酒精性酒精肝臟細胞的脂質代謝譜,促進線粒體的脂質β-氧化功能,降低脂質代謝堆積的毒性代謝產物,降低脂質毒性,減少炎癥的發生。不僅如此,有關肝癌的研究也向我們揭示了甲狀腺素在選擇性自噬方面中的作用機制。研究[10]表明,甲狀腺素能通過TRs和轉錄因子死亡相關蛋白激酶2(DAPK2)的相互作用激活肝癌細胞中的自噬,進而抑制了腫瘤的惡化,而這種自噬是依賴自噬相關蛋白7(ATG7)發揮作用的。

3.2 心 臟 相對而言,心臟組織對甲狀腺素的變化是比較敏感的,無論甲亢還是甲減,無論是明顯的還是亞臨床的都會影響心臟的功能。一方面,甲狀腺亢進會導致心動過速、心搏出量增多、心肌纖維化和病理性肥大。另一方面,甲狀腺減弱則會導致相反的效果,長期甲減會導致心動過緩、心搏出量減少等,并最終導致心臟萎縮[11-12]。此外,在慢性心力衰竭患者中往往并發不同程度的甲狀腺功能減退,對甲減的治療也在一定程度上減緩心力衰竭的程度[13]。我們課題組過去的研究也證明了類似的效果。同時,我們的研究結果還表明這些病理狀態與自噬或線粒體自噬被過度激活有關。我們通過miR-762或過表達線粒體融合蛋白1(Mfn1)抑制自噬,促進線粒體融合后,發現能明顯減緩甲狀腺亢進引起的心肌肥大等病理效果[14]。這提示我們自噬機制具有治療病理性心肌肥大的潛力,值得更進一步的研究。

3.3 脂肪組織 它是一種動態的組織,其分布、大小和細胞組成等會隨著生理和病理狀態的變化而發生改變。在生理情況下,其主要分布在人體皮下、腹腔、心臟和血管周圍,起到產熱、儲能和分泌激素和脂肪因子的作用[15]。脂肪組織可以分為白色脂肪組織、棕色脂肪組織和淺褐色脂肪組織,其中發揮產熱功能的主要是棕色脂肪組織。最近有研究表明,T3還能通過與甲狀腺素受體α的mRNA結合促進脂肪細胞祖細胞增殖,這部分脂肪細胞祖細胞最后分化成棕色脂肪細胞,促進脂肪組織的產熱和增生,提高機體對外界低溫的應對能力[16]。盡管在機制上與寒冷刺激不同,但研究表明適量的甲狀腺素能激活棕色脂肪組織,提高細胞的代謝水平,在刺激生成更多線粒體的同時還抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的表達,促進自噬相關蛋白5(Atg5)依賴的線粒體自噬,清除功能紊亂的線粒體,減輕細胞的氧化壓力[17]。

3.4 骨骼肌 這是人體中最大組織之一。人體大約含有600塊骨骼肌,貢獻了大約40%的體重。骨骼肌的主要功能是通過肌纖維收縮維持身體姿勢或帶動身體關節運動,同時還兼具調節身體能量的作用[18]。由此可以預見,作為“能量工廠”的線粒體在骨骼肌細胞中的地位十分重要,維持線粒體的健康和數量有利于骨骼肌和全身的健康[19-20]。在過去的研究[21-23]中,適當的甲狀腺素和自噬都分別被證明對維持骨骼肌的線粒體健康有積極的作用,但兩者的相互關系并不明確。Lesmana等[24]的研究填補了這個領域的空白:甲狀腺素激活的自噬能增強肌肉組織整體的代謝水平,使骨骼肌生成ATP和消耗氧氣的量提高,還能使細胞生成更多的線粒體。在分子機制上,甲狀腺素這一系列的作用是通過Unc-51樣激酶1(ULK1)-腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)-mTOR通路實現的,甲狀腺素不僅在蛋白質水平上影響LC3、SQSTM1等自噬標記蛋白的表達,還在轉錄水平上提高這些蛋白的mRNA水平。

3.5 骨形成 人的骨細胞主要包括骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和破骨細胞四種主要的細胞類型,前三者由間質干細胞分化形成,而破骨細胞則來自于造血干細胞。破骨細胞將舊的骨基質消化重吸收,成骨細胞形成骨架并發育為骨細胞,組成骨單位。正常的骨發育和損傷后修復是成骨細胞和破骨細胞活動達到相對平衡的結果,而這種動態平衡受到甲狀腺素的調控。一方面,在骨的生長成熟階段,甲狀腺素能促進軟骨細胞和成骨細胞增殖和分化,加速軟骨礦物堆積,使軟骨提早鈣化。盡管如此,臨床的數據卻指出血清游離甲狀腺素(FT4)水平更高的兒童骨密度反而更少[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維持骨的正常功能,這些功能一定程度上依賴正常甲狀腺素水平發揮作用。當血清中甲狀腺素降低以后,骨組織的自噬水平降低,骨生成減少,導致骨密度降低[26]。然而在甲狀腺功能亢進的情況下,成骨細胞內轉化生長因子β(TGF-β)/Smad信號通路被激活,加速了成骨細胞的分化成熟,骨轉化作用明顯,因而導致嚴重的骨小梁丟失[27]。由此可見,維持正常的甲狀腺素水平對維持骨密度有十分重要的意義。

3.6 宮腔粘連 這是宮腔內窺鏡術后常見的并發癥之一。在受到外界的刺激后,子宮內壁發生粘連導致宮腔狹窄,導致宮腔積血和嚴重的盆腔疼痛,嚴重的情況下子宮內膜會消失并且出現結締組織。宮腔粘連的治療一直都是臨床上的難點,即使使用宮腔鏡開展宮腔粘連分離術,術后也存在較高的復發率,因此闡明其分子機制是治療宮腔粘連領域的研究重點之一。Zhou等[28]在發生宮腔內膜粘連的患者身上發現,雖然血清中促甲狀腺素(TSH)、血清游離三碘甲狀腺原氨酸(FT3)和FT4沒有明顯的變化,但子宮內膜中DIO2的表達明顯降低,這阻礙了細胞內T4向T3轉化,甲狀腺素信號通路下游作用被削弱,隨之而來的是甲狀腺素對絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節蛋白激酶(ERK)/mTOR通路的調控減弱,抑制了細胞的自噬,助長了上皮間質轉化,加重了子宮內膜的纖維化,最終導致不孕不育。

3.7 神經系統 適當的甲狀腺素和自噬水平對維持神經細胞正常的生理功能和損傷后細胞恢復起到十分重要的作用。個體發育過程中缺少甲狀腺素會導致認知功能障礙,這是因為甲減會抑制海馬細胞ULK1和mTOR的磷酸化,提高細胞的自噬水平,同時還伴隨著細胞內白細胞介素-1α(IL-1α)和IL-1β,細胞出現凋亡。同時,王松海等[29]研究也表明帕金森的病程進展與過高的自噬水平相關聯。而研究還表明甲狀腺素在外傷性腦損傷后修復的過程中發揮著作用,其一是促進PINK1表達,引起線粒體自噬,清除外傷性腦損傷導致的損傷的線粒體,減少由此產生的氧化壓力;其次,雖然具體機制有待深入研究,但T3能通過促進神經元和神經干細胞之間的串擾,促進外傷性腦損傷后神經元再生,并且這種再生目前看來是需要線粒體自噬參與的。

3.8 聽力系統 毛細胞在哺乳動物聽覺形成當中發揮著重要的作用,位于耳蝸內,負責將外界的聲音刺激轉化成電信號,并通過聽覺神經傳導至中樞。對毛細胞的研究是了解聽覺的重要一環,也是聽覺損傷治療中不可或缺的地方。早在1996年,Brucker-Davis等[30]就發現TRβ表達異常與聽力系統損傷有關聯。同年,Forrest 等[31]發現TRβ是在機體發育過程影響聽力的。最近,Affortit等[32]研究發現,TRα變異的小鼠除了毛細胞的生長發育出現異常外,螺旋神經節細胞內還出現了明顯的自噬泡,這種現象伴隨著細胞內抗氧化的過氧化氫酶和超氧化物歧化酶2(SOD2)減少,表明在甲狀腺素信號通路有所缺失的條件下,螺旋神經節細胞面臨的氧化壓力增多,細胞會通過自噬緩解一部分由此產生的壓力。

4 結 語

甲狀腺素信號通路與自噬機制有十分緊密的聯系,且都對機體生長發育和維持生理功能起到重要作用。但不同的是,它們在不同細胞或疾病中作用相去甚遠,同時兩者對機體具有兩面性,既有有利的一面,也會出現損害細胞的情況,錯綜復雜,這讓明確兩者的關系變得十分困難。因此,在甲狀腺素信號通路與自噬機制的相互作用方面有待更深入和細致的研究。