Тиреоидные гормоны необходимы для развития и метаболизма фактически всех тканей животного организма. Хотя щитовидная железа человека в основном секретирует тироксин (Т4), на уровне тканей действует более активный гормон — трийодотиронин (Т3). Критически важная активация Т4 путем превращения его в Т3 катализируется двумя дейодиназами йодтиронинов — ферментами 1-го (Д1) и 2-го типов (Д2). Инактивация тиреоидных гормонов осуществляется с участием дейодиназы 3-го типа (Д3), катализирующей 5-дейодирование внутреннего кольца как Т4, так и Т3 (рис. 1) [1].

Д1 слабо продуктивна [константа Михаэлиса (Км) 10^–6 – 10^–7 М]. Она катализирует удаление атома йода c внутреннего или внешнего кольца гормона и образует в зависимости от субстрата Т3, обратный Т3 (оТ3) и 3,3’-Т2 в равных пропорциях. Оновная часть циркулирующего в крови Т3 обусловлена действитем на Т4 именно Д1, которая локализована в плазматической мембране клеток и экспрессируется в печени и почках.

Фермент Д2 (Км 10^–9 М) значительно более эффективен и катализирует удаление атома йода только с внешнего кольца Т4, образуя физиологически активный Т3. Главная роль Д2 заключается в регуляции уровня Т3 внутри клеток, его поступления к клеточным ядрам и насыщения ядерных рецепторов в тканях-мишенях. Д2 защищает ткани от пагубного эффекта гипотиреоза, поскольку благодаря низкой Км обеспечивает локальную конверсию Т4 в Т3, даже при малых концентрациях субстрата.

Свободные тиреоидные гормоны поступают из крови в клетки благодаря функционированию энергозависимого (потребляющего АТФ) транспортного механизма, в котором участвуют монокарбоксилат транспортер 8 (MCT8), МСТ10 [2, 3] и Na⁺-органический анионный транспортный белок ОАТР1с1 [4, 5].

В активном центре трех дейодиназ присутствует редкая аминокислота — селеноцистеин [6]. В селенопротеинах кодон UGA кодирует не терминацию трансляции белка, а инсерцию селеноцистеина. В селенопротеиновой мРНК имеется петлеобразный селеноцистеиновый инсерционный элемент SECIS, запускающий специфический фактор элонгации, который в свою очередь связывается с селеноцистеиновой тРНК и способствует инкорпорации селеноцистеина в растущую аминокислотную цепь на рибосоме.

Цель данного обзора — освещение современных представлений о роли Д1 и Д2 как регуляторов метаболизма тиреоидных гормонов. Дейодиназы обозначаются как Д1 и Д2, а их гены как Dio1 и Dio2.

У позвоночных Д1 экспрессируется в основном в печени и почках. У взрослых млекопитающих транскрипты Dio1 обнаруживаются также в щитовидной железе, гипофизе, кишечнике, плаценте и гонадах [7]. В эмбриональном периоде найдены и мРНК Д1 и ее ферментная активноcть Д1, возрастающие на более поздних стадиях жизни. Это позволяет предположить регуляцию экспрессии Д1 на претрансляционном уровне. Примечательно, что в тканях мозга плода человека Д1 не обнаруживается [8].

Известно, что около 80% Т3 образуется при дейодировании Т4 под действием Д1 и Д2, но сравнительная роль Д1 и Д2 в экстратиреоидной продукции Т3 остается неясной. Ранее предполагали, что большая часть циркулирующего Т3 образуется из Т4 под действием именно Д1. Однако Т3 повышает уровень долгоживущей Д1, что противоречит представлению о функционировании обычных петель обратной связи. Позднее было показано, что Д2 также в значительной степени определяет уровень Т3 в сыворотке [9, 10]. В настоящее время Д2 рассматривается как главный тироксинактивирующий энзим с высокой субстратной специфичностью (наномолярная Км Д2 и микромолярная Км Д1). Д1 оказалась значительно менее эффективной в выполнении этой реакции, чем Д2, которая в 700 раз более активно дейодирует Т4 в 5’-положении [10].

Роль Д1 и Д2 определяется их клеточной локализацией. Д1 локализована на внутренней поверхности плазматической мембраны, тогда как Д2 — в эндоплазматическом ретикулуме [11], поэтому Т3, образованный под действием Д1, быстрее поступает в плазму. С другой стороны, Т3, образующийся под действием Д2, в большей степени обусловливает Т3-зависимую транскрипцию генов, чем Т3, образующийся под действием Д1 [10]. Присутствие Д2 в эндоплазматическом ретикулуме указывает на то, что образующийся под ее действием Т3 направляется в ядерные компартменты, где локализуются тиреоидные рецепторы TRa и TRb. Контроль экспрессии Д2 с помощью транскрипционных и посттранскрипционных механизмов, регулирующих стабильность ее мРНК, а также посттрансляционных процессов критически важен для ответа клеток на тканеспецифичное действие тиреоидных гормонов [12].

Роль Д1 в метаболизме тиреоидных гормонов была доказана на двух линиях генетически модифицированных мышей. Линия С3Н имела наследственно сниженную экспрессию Д1 в печени и почках, а у мышей линии D1KO был нокаутирован ген Dio1 [13]. У мышей линии С3Н уменьшение активности Д1 коррелировало с повторяющейся инсерцией CGT в 5’-фланкирующий регион гена Dio1, что, по-видимому, нарушало свойства промотора [14]. У мышей обеих линий были повышены уровни общего и свободного T4 и оТ3 в сыворотке на фоне нормальных концентраций свободного T3 и ТТГ. Иными словами, Д1 не играет существенной роли в поддержании нормального уровня Т3 в сыворотке эутиреоидных мышей. Сохранение нормальных концентраций свободного T3 у мышей могло быть связано с тем, что при уменьшенной конверсии Т4 в Т3 суточная продукция последнего обеспечивается повышенным уровнем свободного T4. Это объясняет сохранение эутиреоидного фенотипа мышами обеих линий [15].

Дефицит Д1 отчетливо меняет метаболизм и экскрецию йодтиронинов. После инъекции Т4 и Т3 мышам линии D1KO фекальная экскреция йодтиронинов существенно превышала таковую у мышей дикого типа, а экскреция йодида с мочой была значительно меньшей. Эти данные указывают на то, что большая часть йодида, образующегося под действием Д1, происходит из субстратов, отличных от Т4 [13]. В отсутствие Д1 йодтиронины не дейодируются, а экскретируются с калом. Такая роль Д1 может быть особенно важной при дефиците йода. У мышей D1KO введение Т3 повышало его уровень в сыворотке и обусловливало более высокую степень гипертиреоза, чем у мышей дикого типа. Следовательно, Д1 способна сглаживать последствия гипертиреоза и дефицита йода [16].

В последнее время продемонстрирована возможная роль Д1 в биосинтезе тиронаминов [3-йодтиронамина (3-Т1АМ) и тиронамина (Т0АМ)] [17—19]. Эти производные тиронинов могут препятствовать типичным эффектам тиреоидных гормонов. Йодтиронамины имеют Km, сравнимую с таковой йодтиронинов. Следовательно, как и йодтиронины, они легко дейодируются соответствующими дейодиназами [18]. Физиологическая роль тиронаминов остается неясной, но, согласно фармакологическим исследованиям, Т1АМ вызывает интенсивную гипотермию и брадикардию, обусловливая состояние гипометаболизма. На модели окклюзии срединной церебральной артерии у мышей Т1АМ почти на 40% уменьшал объем зоны инфаркта [17]. Таким образом, не исключено существование сигнального пути, ведущего к быстрым физиологическим эффектам, противоположным тем, которые индуцируются избытком тиреоидных гормонов [19]. Однако в настоящее время прямые доказательства синтеза тиронаминов из тиреоидных гормонов in vivo отсутствуют.

Функции Д2 in vivo исследовались у мышей с нокаутом гена данного фермента, которые сохраняли нормальную плодовитость [20]. У мышей линии D2KO отмечалось изолированное гипотиреоидное состояние важнейших тканей. У мышей этой линии несмотря на нормальную концентрацию Т3 в сыворотке был повышен уровень ТТГ, и они теряли способность поддерживать температуру тела при воздействии холода; у таких мышей отмечались также потеря слуха и хрупкость костей [21, 22].

У мышей D2KO при нормальном уровне Т3 концентрация ТТГ возрастала в 2—3 раза, на 27—40% увеличивалось содержание Т4 в сыворотке и снижался его плазменный клиренс [23]. При введении Т3, но не Т4, уровень ТТГ нормализовался. Иными словами, у мышей D2KO возникала резистентность гипофиза к действию Т4 по механизму обратной связи. Важно отметить, что несмотря на повышенное содержание мРНК ТТГ уровень мРНК ТРГ в паравентрикулярных ядрах не увеличивался. Таким образом, резистентность к супрессивному действию тироксина обусловливалась дефицитом Д2 скорее в гипофизе, чем в гипоталамусе [24]. Эти данные свидетельствуют о важности Д2 для нормального функционирования системы обратной связи в гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной оси (рис. 2) [25].

Дефицит Д2 сопровождается сниженным образованием Т3 в развивающемся головном мозге. Однако экспрессия Т3-чувствительных генов (Hairless, TrkB, Rc3 и Srg1) реагировала на дефицит Т3 (у мышей с нокаутом гена Dio2) слабее, чем на тиреоидэктомию [26]. Хотя уровень Т3 в нейронах зависит от активности Д2 в смежных глиальных клетках, определенные механизмы могут смягчать неврологические повреждения, обусловленные дефицитом Д2 [26]. Тем не менее экспрессия Д2 максимальна в критические периоды развития мозга. Негативные последствия дефицита Д2 при развитии ЦНС могут быть ослаблены другими источниками Т3, такими как цереброспинальная жидкость и сыворотка крови [26]. Присутствие Д2 в хороидном сплетении эмбрионов птиц и человека указывает на дополнительную возможность поступления Т3 в нейроны [27].

Вопрос о роли источника Т3 в мозге решался путем сравнения экспрессии генов-мишеней у гипотиреоидных мышей дикого типа, мышей линии D2KO и мышей с нокатом гена транспортера тиреоидных гормонов (МСТ8) [28]. У мышей D2KO нарушена локальная продукция Т3, а у мышей МСТ8 нарушен транспорт тиреоидных гормонов в клетку. У мышей с нокаутом гена МСТ8 наблюдалась незначительная реакция генов-мишеней Т3, поскольку у них компенсаторно возрастала экспрессия Д2, смягчающая локальный дефицит Т3. Напротив, у мышей D2KO возрастала экспрессия генов-мишеней, отрицательно регулируемых Т3, но не было выявлено влияния на гены, положительно регулируемых Т3. У гипотиреоидных диких мышей была нарушена экспрессия как негативно, так и позитивно регулируемых Т3 генов-мишеней [28]. Эти данные позволяют предполагать, что реакции генов-мишеней Т3 в мозге зависят от источника Т3 (его локального образования или транспорта из сыворотки крови и цереброспинальной жидкости).

Как уже отмечалось, мыши с нокаутированным геном Dio2 не способны поддерживать температуру тела на холоде, несмотря на нормальную концентрацию Т3 в сыворотке. Из-за нарушения энергообмена в бурой жировой ткани у таких мышей наблюдалась умеренная гипотермия, которая смягчалась компесаторной реакцией дрожи и сопровождалась резкой потерей веса. Бурые адипоциты мышей D2KO теряют способность реагировать на активаторы аденилатциклазы; в результате меняется реакция мРНК митохондриального разобщающего белка 1 на адренергическую стимуляцию. Такие же дефекты имеют место при гипотиреозе. При введении Т3 мышам D2KO все изменения в бурых адипоцитах исчезали [21]. Из этого следует, что цАМФ-зависимый синтез Д2 необходим для адаптационного термогенеза в бурых адипоцитах [29]. Дальнейшие исследования обнаружили интенсивное компенсаторное увеличение симпатической стимуляции в бурой жировой ткани. Увеличенный симпатический тонус индуцировал липолиз, который истощал запасы жирных кислот и адаптационно снижал термогенез [29]. Таким образом, была показана роль Д2 в термогенезе, индуцированном диетой [30]. Мыши D2KO проявляют повышенную предрасположенность к алиментарному ожирению [31].

Д2 экспрессируется в скелетных мышцах. Активность Д2 в медленных волокнах I типа в 5 раз выше, чем в быстрых волокнах II типа. Гипотиреоз трехкратно повышает активность Д2, не влияя на уровень мРНК этого фермента [32].

Активность Д2 в мышечных стволовых клетках возрастает в процессе миогенетической дифференцировки. В первичных миобластах фактор транскрипции FoxO3 индуцирует экспрессию Dio2, необходимую для внутриклеточного образования Т3 [33]. Опосредованное Д2 образование Т3 важно для эффективной транскрипции регулятора миогенетической дифференциации MyoD [33]. Соответственно, в миоцитах мышей D2KO обнаруживался гипотиреоидный фенотип, несмотря на нормальный уровень Т3 в сыворотке. Экспрессия же Т3-чувствительных генов, включая MyoD, у них была значительно уменьшена, а мышечная регенерация замедлена. Таким образом, Д2 необходима для развития, функционирования и восстановления скелетных мышц.

В улитке внутреннего уха Д2 экспрессируется в надкостничной соединительной ткани. Активность фермента максимальна на 7-й день постнатального развития (за несколько дней до появления слуха). Поскольку тиреоидные рецепторы экспрессируются в улиточном сенсорном эпителии, предполагают, что Д2 обеспечивает пространственно-временну´ю регуляцию паракринного механизма [34].

У мышей D2KO замедлены дифференцировка слухового сенсорного эпителия и развитие улитки. Глухота у таких мышей сходна с глухотой при системном гипотиреозе или с глухотой у мышей с нокаутом гена тиреоидного рецептора [35]. Введение Т3 мышам D2KO улучшало фенотип, доказывая тем самым, что обусловленное Д2 локальное образование Т3 в костном лабиринте необходимо для развития улитки и последующей слуховой функции. В этом случае активация Д2 выполняет роль локального паракринного усилителя эффекта Т3. В целом, можно считать, что развитие нормальной слуховой функции требует точно регулируемого во времени поступления Т3.

Активность Д2 обнаружена в перихондрии эмбриональной ростовой пластинки цыпленка. Модуляция сигнала тиреоидных гормонов в ростовой пластинке регулирует скорость дифференцировки хондроцитов в раннем скелетогенезе [36—38].

Специфичная активность Д2 присутствует только в дифференцированных остеобластах, но не в хондроцитах или остеокластах [39]. Мыши D2KO не отличаются от животных дикого типа линейным ростом, но их кости легче поддаются переломам. Такой фенотип обусловлен уменьшением образования остеобластов без нарушения функции остеокластов. Анализ генов-мишеней Т3 обнаружил дефицит Т3 в остеобластах, что подчеркивает важность продукции Т3, опосредованной Д2, в этих клеточных элементах [40]. Таким образом, для сохранения повышенной (по сравнению с другими клетками скелета) внутриклеточной концентрации Т3 в остеобластах у взрослых животных необходима локальная экспрессия Д2 [41].

Как и в других тканях, активность Д2 в остеобластах увеличивается при гипотиреозе и снижается при гипертиреозе [42]. Тем самым Д2 выступает в роли буфера, смягчающего влияние колебаний уровня тиреоидных гормонов в сыворотке на скелет. Влияние дефицита Т3 на минерализацию костей может быть ослаблено повышением активности Д2 в остеобластах, тогда как ингибирование активности Д2 при гипертиреозе ограничивает пагубные эффекты избытка тиреоидных гормонов [40]. Существование такого локального механизма обратной связи объясняет пониженную устойчивость к переломам при гипо- и гипертиреозе [43].

Генетический анализ обнаруживает связь между полиморфизмом rs225014 гена Dio2 и генерализированным симптоматическим остеоартритом [44]. Этот полиморфизм может иметь географические и этнические различия [45]. Регулируемая Д2 доступность Т3 в хондроцитах, по-видимому, играет важную роль в регуляции обновления и восстановления хрящей.

Исследования, вначале проведенные на японских перепелах (Coturnix japonica), а затем и на млекопитающих, установили ведущую роль Д2 в регуляции сезонного ритма репродукции [46, 47]. Чувствительность гонад к изменениям фотопериода связана с функцией медиобазального гипоталамуса. Свет индуцирует экспрессию Д2 в этом отделе мозга, и концентрация Т3 в нем при длинном световом дне увеличивается в 10 раз [46]. Инфузия Т3, как и длинный световой день, стимулировала рост гонад, тогда как инфузия иопаноевой кислотой (ингибитор Д2) при длинном дне предотвращала рост тестикул. Следовательно, локальная конверсия Т4 в Т3 с участием Д2 в медиобазальном гипоталамусе под влиянием света является ключевым механизмом, опосредующим фотопериодичность репродукции [46]. Позднее было показано, что фотопериодическая реакция запускается индуцированной светом экспрессией ТТГ в pars tuberalis. ТТГ, связываясь со своими рецепторами в эпендимных клетках медиобазального гипоталамуса, через цАМФ стимулирует экспрессию Д2, что в свою очередь усиливает секрецию ЛГ [47].

Фотопериодичность выброса мелатонина у млекопитающих также связана с участием ТТГ и Д2 [48—50]. Таким образом, сезонные ритмы репродукции у млекопитающих и птиц регулируются сходными консервативными механизмами [51, 52].

Исследования последних десятилетий расширили представление о механизмах функционирования дейодиназ в норме и при патологических процессах. Дейодиназы влияют на системный уровень Т3 и прямо или косвенно участвуют в поддержании внутриклеточного уровня этого гормона в разных тканях [53].

Считается, что основная роль Д1 заключается в удалении оТ3 и сульфатированных йодтиронинов из циркуляции. Действительно, оТ3 является предпочтительным субстратом Д1. Участие этого фермента в дейодировании сульфатированных йодтиронинов способствует реутилизации йода в синтезе тиреоидных гормонов [54]. Однако не исключается роль Д1 и в периферической продукции Т3. В постнатальном периоде у млекопитающих Д1 является главным дейодирующим ферментом в печени и почках. Локализация Д1 в плазматической мембране способствует быстрому достижению равновесия между Т3, продуцируемым печенью и почками, с Т3 в плазме. Однако основной аргумент против доминирующей роли Д1 в периферической продукции Т3 заключается в слабой эффективности этого фермента по сравнению с Д2, каталитическая активность которой выше в 700 раз [14].

В периферической продукции Т3 у млекопитающих участвуют и Д1, и Д2, но их вклад у разных видов неодинаков. У эутиреоидных крыс около 50% Т3 плазмы образуется в результате экстратиреоидной конверсии Т4. Как Д1 (главным образом в печени и почках), так и Д2 (в скелетных мышцах) в равной степени участвуют в периферической продукции Т3. У человека в условиях эутиреоза периферическая конверсия Т4 обеспечивает 80% Т3 плазмы. Главную роль в этом процессе может играть Д2 скелетных мышц [10].

Относительная роль периферической продукции Т3, катализируемой Д1, у человека в условиях эутиреоза или при патологии еще остается предметом дискуссии. Важной перспективой, возможно, будет использование Д2 в качестве терапевтической мишени для гибкой модуляции тканевого тиреоидного обеспечения при лечении метаболических болезней (например, ожирения или скелетных заболеваний). Существенным вопросом остается возможность дифференциальной модуляции тканеспецифического действия тиреоидных гормонов с учетом фактора времени [37]. Дальнейшие исследования в этой захватывающей области метаболизма тиреоидных гормонов должны способствовать раскрытию новых сторон регуляции и точных механизмов соответствующих процессов.

Информация о финансировании и конфликте интересов

Обзорно-аналитическая работа проведена на личные средства автора.

Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Дополнительная информация

Посвящается памяти академика АН РУз Я.Х. Туракулова.