甲狀腺激素對(duì)骨骼肌功能的調(diào)控及其機(jī)制

郭一帆 陳佩杰 肖衛(wèi)華

上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院（上海200438）

甲狀腺激素（thyroid hormone，TH）是人體最重要的激素之一，幾乎作用于機(jī)體所有的組織和器官，對(duì)生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝等各方面均有深遠(yuǎn)影響。TH包括甲狀腺素（thyroxine，T4）和三碘甲狀腺氨酸（triiodothyro?nine，T3），人體內(nèi)T4含量較多，但T3活性約為T4的4倍，是甲狀腺激素的主要生理活性物質(zhì)。骨骼肌約占人體質(zhì)量的40%，是參與機(jī)體能量消耗、葡萄糖攝取和維持脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)最重要的組織之一，骨骼肌代謝的異常改變會(huì)對(duì)機(jī)體健康產(chǎn)生重要影響[1]。雖然TH可作用于骨骼肌，但TH 對(duì)骨骼肌功能有何影響，我們?nèi)灾跎?。本文以“Thyroid hormone”“Skeletal muscle”為主題詞，檢索PubMed、Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)近10年的文獻(xiàn)并進(jìn)行總結(jié)，旨在探討甲狀腺激素對(duì)骨骼肌功能的調(diào)控，加深對(duì)甲狀腺激素功能及骨骼肌功能調(diào)控的理解，提高對(duì)甲亢（甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)癥）或甲減（甲狀腺功能減退癥）等臨床常見甲狀腺疾病的認(rèn)識(shí)。

1 甲狀腺激素對(duì)骨骼肌纖維類型的影響

成年骨骼肌主要分為快肌（Ⅰ型肌纖維）和慢?。á騛、Ⅱx和Ⅱb型肌纖維）。由于快肌和慢肌肌球蛋白重鏈（myosin heavy chain，MHC）亞型消耗ATP 速度有差異，不同MHC亞型的基因表達(dá)被認(rèn)為是決定肌纖維類型的主要因素。慢肌主要表達(dá)Ⅰ型MHC 及部分Ⅱa 型MHC（快MHC 型中最慢的一種），在不同的快肌中Ⅱa、Ⅱx和Ⅱb型MHC則分別以不同比例分布。

甲狀腺激素對(duì)MHC的影響既取決于機(jī)體內(nèi)TH水平又依賴于骨骼肌類型。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)體處于高TH水平（即甲亢）時(shí)，肌纖維出現(xiàn)由慢型向快型的轉(zhuǎn)變：慢肌比目魚肌中Ⅱa-MHC 比例增加，而快肌趾長(zhǎng)伸肌中Ⅱa-MHC 比例減少，Ⅱx和Ⅱb型MHC增加。反之，當(dāng)機(jī)體處于低TH水平（即甲減）時(shí)，肌纖維出現(xiàn)由快型向慢型的轉(zhuǎn)變：比目魚肌和趾長(zhǎng)伸肌中Ⅰ-MHC、Ⅱa-MHC 基因表達(dá)與其對(duì)應(yīng)的肌纖維含量增加，Ⅱx、Ⅱb型肌纖維含量減少[2]。甲狀腺激素受體α（thyroid hor?mone receptor α，THRA）的缺失使慢肌和快肌中IMHC 含量增加，但甲狀腺激素受體β的缺失只影響快肌中Ⅰ-MHC 的表達(dá)。此外，T3 還可通過誘導(dǎo)miR-133a 表達(dá)改變肌纖維類型。miR-133a 在快肌纖維中高度表達(dá)，抑制miR-133a可損害T3誘導(dǎo)的慢-快肌纖維類型轉(zhuǎn)化，而敲除miR-133a 的小鼠甚至出現(xiàn)快-慢肌纖維的轉(zhuǎn)變[3]。

2 甲狀腺激素對(duì)骨骼肌代謝的影響

骨骼肌質(zhì)量占體重的40%，其能量消耗約占輕體力活動(dòng)人群一日總能耗的22%。當(dāng)甲狀腺功能亢進(jìn)時(shí)，甲狀腺激素分泌過多，骨骼肌能量代謝水平提高并加劇機(jī)體能量消耗，從而導(dǎo)致甲亢患者出現(xiàn)代謝亢進(jìn)、進(jìn)食增多和體重下降等表型特征。

2.1 TH可增強(qiáng)骨骼肌線粒體生物合成和功能

T3通過調(diào)節(jié)核基因組和線粒體基因組編碼蛋白質(zhì)的表達(dá)，影響線粒體生物合成及其功能。例如，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxidase proliferation-activated receptor coactivator 1α，PGC-1α）是線粒體基因表達(dá)和生物合成的中樞調(diào)節(jié)因子，可通過誘導(dǎo)核呼吸因子1 表達(dá)，激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子A，直接調(diào)控線粒體的生物合成[4]。T3通過甲狀腺激素受體在基因啟動(dòng)子上調(diào)控PGC-1α表達(dá)，從而誘導(dǎo)骨骼肌線粒體生物合成[5]。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)甲狀腺功能正常和甲減小鼠進(jìn)行長(zhǎng)期或短期注射T3 均會(huì)激活腺苷酸活化蛋白激酶，從而上調(diào)PGC-1α的活性進(jìn)而促進(jìn)線粒體的生物合成，即腺苷酸活化蛋白激酶是甲狀腺激素調(diào)節(jié)骨骼肌線粒體生物合成的重要介導(dǎo)因子[6]。此外，在利用慢病毒介導(dǎo)的shRNA敲低自噬相關(guān)基因5的表達(dá)從而阻斷自噬體形成的L6肌細(xì)胞中，TH對(duì)線粒體的影響顯著減弱，因此，TH 還可通過誘導(dǎo)自噬促進(jìn)骨骼肌中線粒體生物合成和功能[6]。

2.2 TH可提高骨骼肌靜息代謝率

血清中T3增加除了刺激線粒體生物合成，還會(huì)使肝臟、骨骼肌和棕色脂肪組織中解偶聯(lián)蛋白（uncou?pling protein，UCPs）的表達(dá)增加，從而提高新陳代謝和產(chǎn)熱。解偶聯(lián)蛋白2 和3（UCP2，UCP3）是線粒體載體家族的成員，UCP2分布廣泛，UCP3則主要在骨骼肌中表達(dá)[7]。其中UCP3 是TH 調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝的關(guān)鍵物質(zhì)，可促進(jìn)骨骼肌中線粒體的解偶聯(lián)，減少活性氧的產(chǎn)生，以熱能的形式消耗能量，降低細(xì)胞的能量效率。研究發(fā)現(xiàn)，在甲狀腺功能減退轉(zhuǎn)變到甲狀腺功能亢進(jìn)的過程中，骨骼肌的靜息代謝率（resting metabolic rate，RMR）增加了兩倍[8]。給嚙齒類動(dòng)物注射T3 可使心肌和骨骼肌的UCP2、UCP3 表達(dá)水平增高，線粒體的解偶聯(lián)活性也隨之升高。

對(duì)甲狀腺激素抵抗綜合征患者樣本的分析結(jié)果顯示，與健康個(gè)體相比，其機(jī)體靜息代謝率增強(qiáng)，這是患者對(duì)甲狀腺激素過量做出的反應(yīng)。測(cè)量患者骨骼肌底物的氧化時(shí)，發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)通量增加了75%，ATP合成酶通量降低[9]。此外，TH 可增強(qiáng)線粒體電子傳遞鏈中細(xì)胞色素c氧化酶1和4的活性，提高檸檬酸合酶的表達(dá)，并刺激中間代謝關(guān)鍵酶（3-磷酸甘油脫氫酶）的表達(dá)，從而提高機(jī)體氧化磷酸化能力[10]。然而，健康的年輕男性在接受T3 治療14 天后，RMR、UCP3 和UCP2增加，呼吸商降低，卻沒有顯示細(xì)胞色素c 氧化酶4 或核呼吸因子1 的mRNA 表達(dá)增加[11]。以上研究表明甲狀腺激素可激活線粒體酶和UCP3，誘導(dǎo)線粒體活性增加、氧化磷酸化和耗氧量增加，從而提高機(jī)體靜息代謝率。

2.3 T3對(duì)骨骼肌糖代謝的影響

骨骼肌是機(jī)體受到胰島素刺激時(shí)攝取葡萄糖的重要部位。T3 可提高骨骼肌的胰島素敏感性，這種效應(yīng)依賴Ⅱ型脫碘酶（types 2 iodothyronine deiodinase，D2）將T4 轉(zhuǎn)化為T3，缺乏D2 時(shí)，成肌細(xì)胞中胰島素信號(hào)會(huì)隨之減弱[12，13]。這種效應(yīng)一定程度上也與TH 上調(diào)GLUT4 的編碼基因Slc2a4 表達(dá)有關(guān)。對(duì)L6E9 肌細(xì)胞和活體大鼠骨骼肌研究發(fā)現(xiàn)，TH受體在Slc2a4基因啟動(dòng)子上形成了肌分化因子1（myogenic differentia?tion 1，MYOD1）和肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2 的復(fù)合物，并參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控[11]。此外，小鼠中TH 可促進(jìn)Slc2a4 mRNA多聚腺苷酸化的快速轉(zhuǎn)錄后效應(yīng)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性和GLUT4利用率，并轉(zhuǎn)位至肌膜[14]。因此，甲狀腺功能減退的小鼠中由胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖攝取減少。值得注意的是，甲狀腺功能亢進(jìn)模型顯示糖異生作用增加且胰島素作用減少，即機(jī)體內(nèi)T3高于正常水平時(shí)并不會(huì)進(jìn)一步提高葡萄糖攝取能力[15，16]。

3 甲狀腺激素對(duì)骨骼肌生成的影響

3.1 肌生成基本過程

骨骼肌是一種穩(wěn)定的組織，在有絲分裂后通常不分裂，但骨骼肌具有可塑性，損傷后可以快速進(jìn)行修復(fù)和再生。損傷后的骨骼肌再生主要依賴于肌衛(wèi)星細(xì)胞（satellite cells，SC）的激活、增殖和分化。SC 位于肌纖維膜和基膜之間，通常靠近內(nèi)皮區(qū)域，是具有增殖和自我更新能力的肌源性干細(xì)胞，以轉(zhuǎn)錄因子Pax7 的表達(dá)為特征[17]。Pax7調(diào)控生肌調(diào)節(jié)因子（myogenic regulato?ry factors，MRF）的表達(dá)，MRF基因家族編碼四種對(duì)肌生成起重要影響的轉(zhuǎn)錄因子，包括生肌因子5（myogen?ic factor 5，MYF5）、MYOD1、肌細(xì)胞生成素（myo?genin，MYOG）、MRF4[18]。

3.2 TH抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖

碘化甲狀腺氨酸脫碘酶的表達(dá)在肌衛(wèi)星細(xì)胞的成肌過程中受到精細(xì)的調(diào)控，這種動(dòng)態(tài)表達(dá)影響SC的增殖與分化平衡。Ⅲ型脫碘酶（types 3 iodothyronine de?iodinase，D3）能降低細(xì)胞內(nèi)T3 含量，在肌細(xì)胞增殖階段高表達(dá)，在分化階段表達(dá)下降[19]。研究發(fā)現(xiàn)，增殖階段的SC 暴露在濃度過高的TH 中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，在使用不含TH 的血清培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞凋亡則不會(huì)發(fā)生。此外，對(duì)受傷的小鼠進(jìn)行TH處理后肌再生過程受到阻礙，Pax7 陽(yáng)性細(xì)胞減少且細(xì)胞凋亡增加[20]。這表明在增殖階段，D3 的表達(dá)可保護(hù)SC 免受細(xì)胞內(nèi)TH 的影響，這對(duì)于肌再生過程至關(guān)重要，缺乏D3 會(huì)導(dǎo)致增殖的成肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，但處于靜息狀態(tài)的細(xì)胞不受到影響。

3.3 TH促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞分化

增殖階段需要肌衛(wèi)星細(xì)胞內(nèi)TH保持低水平，但在分化階段，TH 信號(hào)的增加對(duì)于SC 的適當(dāng)分化具有重要意義，此時(shí)D3 表達(dá)降低而Ⅱ型脫碘酶（D2）表達(dá)增加，D2 將T4 活化為T3，增加細(xì)胞內(nèi)TH 水平。研究表明，敲除D2 基因會(huì)抑制分化階段細(xì)胞內(nèi)TH 增加及肌管形成，從而抑制MYOD、MYOG、MHC 表達(dá)[21]。MYOD1和MYOG參與成肌細(xì)胞的終末分化，受T3正向調(diào)控，肌肉受損后甲狀腺功能正常和甲減小鼠的MYOD1表達(dá)相似，甲亢小鼠骨骼肌再生部位中肌衛(wèi)星細(xì)胞的MYOD1表達(dá)最高[11，22]。

此外，甲狀腺激素還可通過THRA 維持肌衛(wèi)星細(xì)胞的細(xì)胞池[23]。敲除THRA 的成肌細(xì)胞處于增殖和分化早期時(shí)，重要的肌生成轉(zhuǎn)錄因子如Pax7、MYOD、Myf5 的表達(dá)下調(diào)，Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路的下游標(biāo)志物β-連環(huán)蛋白、細(xì)胞周期蛋白D1表達(dá)下降。這一結(jié)果證明THRA通過激活Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路促進(jìn)成肌細(xì)胞分化，在成肌細(xì)胞的增殖分化過程中扮演重要角色[24]。綜上所述，在肌生成過程中肌衛(wèi)星細(xì)胞可根據(jù)自身功能狀態(tài)和動(dòng)態(tài)需求調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)TH水平，從而維持SC增殖與分化的平衡，影響肌生成進(jìn)程。

4 骨骼肌中甲狀腺激素的作用途徑及其活性的調(diào)控

4.1 TH經(jīng)典核受體作用途徑

甲狀腺激素的作用由甲狀腺激素受體介導(dǎo)，當(dāng)甲狀腺激素受體還未與TH結(jié)合時(shí)，它與核內(nèi)DNA 分子局部的甲狀腺激素反應(yīng)元件呈結(jié)合狀態(tài)。當(dāng)甲狀腺激素與靶細(xì)胞核內(nèi)甲狀腺激素受體結(jié)合后，可啟動(dòng)特異性甲狀腺激素應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，這是甲狀腺激素在骨骼肌中作用的經(jīng)典通路[25]。此外，甲狀腺激素受體也可作為獨(dú)立于配體的轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮作用，骨骼肌中主要存在的甲狀腺激素受體亞型是THRA。

4.2 骨骼肌TH活性受TH轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)

TH 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)甲狀腺激素易化擴(kuò)散穿過細(xì)胞膜，這對(duì)甲狀腺激素發(fā)揮效應(yīng)十分重要。TH轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過細(xì)胞膜的效率、T4和T3的局部活化或失活均可決定甲狀腺激素的細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)。人類和嚙齒類動(dòng)物中都存在的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT10 和MCT8，是骨骼肌中主要的TH轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[26]。研究表明，MCT8-/-小鼠表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)活性與野生型小鼠相同，但其骨骼肌中的T3含量比野生型小鼠高30%。此外，MCT8 與Ⅰ型脫碘酶（types 1 iodothyronine deiodinase，D1）雙敲除小鼠的細(xì)胞內(nèi)T3 濃度下降，但仍高于野生型小鼠，這表示D1和MCT8-/-小鼠肌肉中T3 濃度升高有關(guān)[27]。TH 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的存在還有助于維持骨骼肌正常生理功能，如人類MCT8 的編碼基因SLC16A2 突變會(huì)導(dǎo)致Allan-Hern?don-Dudley綜合征，臨床表現(xiàn)為先天性肌張力減退，進(jìn)一步發(fā)展為痙攣、發(fā)育不全和全身性肌無(wú)力[28]。

4.3 骨骼肌中TH活性受脫碘酶調(diào)控

D1同時(shí)具有外環(huán)和內(nèi)環(huán)脫碘作用，可以催化T4轉(zhuǎn)化為T3、rT3，也可催化T3 轉(zhuǎn)化為T2，但有研究發(fā)現(xiàn)敲除D1基因后，小鼠體內(nèi)血清T3濃度正常，因此D1的生理作用仍存在爭(zhēng)議[29]。而D2具有外環(huán)脫碘作用，是TH的主要活化因子，可將T4 轉(zhuǎn)化為T3，主要生理作用是調(diào)控細(xì)胞內(nèi)T3 濃度和核內(nèi)甲狀腺激素受體飽和度。D2 在肌再生的分化階段表達(dá)，通過增加細(xì)胞內(nèi)T3 濃度，促進(jìn)MYOD的表達(dá)，以確保肌管完全分化形成多核肌纖維。但D2只在肌生成的分化階段起作用，在骨骼肌發(fā)育過程中或在肌纖維分化后，即使將骨骼肌中D2敲減40%～50%，血清中的TH 水平也并無(wú)顯著改變。D3 則通過內(nèi)環(huán)脫碘不可逆性地滅活T3，將T4 或T3 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)活性的rT3 或T2，其主要的生理功能是預(yù)防或限制肌生成增殖階段中TH進(jìn)入肌衛(wèi)星細(xì)胞，從而確保肌衛(wèi)星細(xì)胞正常增殖。

5 總結(jié)

甲狀腺激素作為一種重要的內(nèi)分泌激素，對(duì)骨骼肌的表型、代謝和發(fā)育有重要影響。甲狀腺激素可通過刺激快型肌球蛋白重鏈的表達(dá)，促進(jìn)慢-快肌纖維類型轉(zhuǎn)化，還可調(diào)控線粒體生物合成和功能，提高機(jī)體新陳代謝和產(chǎn)熱，促進(jìn)葡萄糖攝取。此外，甲狀腺激素還參與調(diào)節(jié)肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖與分化，在肌生成過程中發(fā)揮重要作用?？傊谞钕偌に貙?duì)骨骼肌功能有重要調(diào)控作用，但相關(guān)分子機(jī)制目前仍未完全闡明，還需進(jìn)一步深入研究。