TSH合成调节
中枢神经系统的信号分子和外周循环的反馈因素共同调节TSH的生物合成过程。下丘脑TRH是促进TSH生物合成的最主要分子，循环中的甲状腺激素水平是TSH最强有力的负性调节因素，其他下丘脑激素和外周循环激素分子也参与调节TSH合成过程。
1.TSHβ亚单位合成的下丘脑调节：促甲状腺激素释放激素（Thyrotropin-Releasing Hormone ，TRH）是下丘脑室旁核合成的三肽激素，经下丘脑-垂体门脉系统运输到垂体，可使编码TSHα亚基和β亚基的基因转录水平上调3～5倍。TRH的转录和翻译后修饰过程都受到T3的抑制性调节。母体或胎儿来源的TRH不参与垂体促甲状腺细胞的发生、发育，TRH基因缺陷小鼠出生时不发生甲减，TRH参与出生后的TSH活性维持[19]。
TRH与垂体促甲状腺细胞上的特异膜受体TRHR1结合后启动细胞内信号通路级联反应，TRHR1基因敲除可引发中枢性甲减。在大鼠垂体瘤GH3细胞系中，TRH-受体复合体与质膜内侧的G蛋白（G）相互作用后结合并激活鸟嘌呤核苷酸（G'），G'与磷脂酶C（C）结合并将其激活（C'），C'催化4，5-二磷酸磷脂酰肌醇水解成两个细胞内第二信使分子：三磷酸肌醇（Inositol Triphosphate）和1，2-二酰基甘油（1，2-Diacylglycerol ）。三磷酸肌醇引起内质网Ca2+释放，从而激活分泌颗粒向细胞膜转移并以胞吐形式完成TSH分泌。与此同时，1，2-二酰基甘油诱发的磷脂酶C激活使细胞内一系列蛋白发生磷酸化而促进胞吐分泌。在垂体前叶和GH3细胞系中，TRH可激活核蛋白Islet-brain-1（IB1）/JIP-1，被认为与增强促甲状腺细胞TSHβ基因表达有关。TRH促进催乳素细胞分泌催乳素也有磷脂酰肌醇-蛋白激酶C-Ca2+通路的参与。而TRH对TSHβ基因启动子区域的作用可能由转录因子AP-1介导。
TSHβ基因启动子-128～-61bp区段和-28～+8bp区段是TRH的两个反应区，其上游区域含有垂体特异性转录因子Pou1f1的结合位点，这提示TRH调节TSHβ基因表达过程有Pou1f1的参与。大鼠TSHβ基因的TRH反应区定位在上游-204位点附近。有研究证实，在佛波酯（Phorbol）和cAMP的作用下，PKC或PKA途径介导的Pou1f1磷酸化可使Pou1f1与TSHβ基因的反式作用元件结合发生改变[20]。非垂体细胞过继转移研究表明，TRH增强Gata2 介导的TSHβ基因启动子激活效应；Gata2锌指结构域改变或TSHβ基因启动子Gata2反应元件发生突变都会导致TRH不能发挥其生物学作用。其他转录活化因子如TRAP220/MED1等，也参与TRH对TSHβ基因的调控。
多巴胺通过激活DA2多巴胺受体抑制TSHα亚单位和β亚单位基因的转录，机制与细胞内cAMP水平降低有关。TSHβ基因启动子-128～-61bp区段和+3～+8bp区段是cAMP发挥作用的必要位置。上游区域与TRH反应区域一致，也包含Pou1f1结合位点，下游区域被T3反应区（+3～+37）和TRH反应区（-28～+8）包括，下游区域与AP-1结合区（-1～+6）有交叉重叠。-1～ +6区段的基因序列与Pou1f1共同作用介导cAMP和TRH对基因表达的调控。由此可见，转录因子和激素性调节因子的多元互动效应在基因启动子区域的聚集使得TSH生物合成的精密调控得以实现。
2.TSHβ亚单位合成的外周调节：
（1）甲状腺激素抑制TSHβ亚单位合成的生物学过程：甲状腺激素主要通过细胞核内的甲状腺激素受体（TR）发挥作用，甲状腺激素通过多种膜转运蛋白进入细胞内继而弥散到细胞核内激活下游信号通路。T4是几乎不具有生物活性的激素原，是组织内的碘化甲状腺原氨酸脱碘酶家族的反应底物。膜结合的同型二聚体硒蛋白酶以时间和组织特异性特点激活T4（主要与1型和2型脱碘酶有关）或灭活T4（主要由3型脱碘酶介导）[21]。2型脱碘酶（D2）是激活T4的主要脱碘酶，与底物有很高的亲和力，它存在于核周的内质网上，可将T4转化为T3；在T4存在的条件下，2型脱碘酶活性在泛素蛋白酶体的调控下很快消失。大鼠垂体促甲状腺素细胞表达2型脱碘酶mRNA和蛋白，甲减状态下表达增加。鼠类TtT-97肿瘤的促甲状腺素细胞中高水平表达2型脱碘酶，即使在T4超生理量的状态下也可以持续产生T3。在给予T3或T4后，正常小鼠的血清TSH水平会降低，而当目的性敲除D2基因或给予D2抑制剂胺碘酮时，只有T3可以发挥对TSH的抑制效应。由此可见，2型脱碘酶在控制甲状腺激素对TSH的反馈调节中发挥至关重要的作用。
除经典核受体途径以外，甲状腺激素在细胞膜或细胞质的非基因组作用也参与某些基因的基础转录效率设定或细胞活动的调控。T4或高水平T3可以与细胞表面的αv/β3 整合素受体结合，继而活化丝裂原激活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信号通路级联反应，引发细胞内或核内一系列生物学效应。T3可激活磷脂酰肌醇-3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K），参与TRα在胞浆和胞核间的穿梭运动、特定基因的转录调控、Na+-K+-ATP酶向胞膜的植入等。细胞质中的T3可直接激活PI3K/Akt信号传导途径。有些甲状腺激素还可在细胞器内（如线粒体）发挥作用，影响线粒体发生、复制和能量产生[22]。甲状腺激素的很多非基因组学效应可能对调节某些基因的基础转录效率和细胞内生化反应起重要作用。
动物模型及垂体瘤细胞实验证实，T3可显著降低TSHα亚单位和β亚单位基因的转录效率，T3对TtT-97细胞系TSHα亚单位和β亚单位基因的转录抑制在30min时已经非常显著，4h达到最大程度；在蛋白合成抑制剂环己酰亚胺（Cycloheximide）存在的条件下，这种抑制效应仍然存在，说明T3对TSH基因的抑制作用不需要中间介质蛋白。T3与其核受体结合后主要在转录水平调控基因表达，调控效应取决于核受体与T3的结合比率，T3核绑定与转录抑制过程在时间进程上保持一致。
（2）甲状腺激素抑制TSHβ亚单位合成的分子机制：甲状腺激素在不同的细胞类型中激活不同的信号传导途径，主要参与元素有：甲状腺激素转运蛋白，TR多个受体亚型，配体占用，受体二聚化，TR反应元件在目的基因上的结合位点，辅助活化/抑制因子。此外，在代谢调节和发育过程中，甲状腺激素相关信号通路分子可以加强其他信号通路的生物学效应。T3对TSH的抑制效应需要与TR结合，主要是TRβ1、β2亚型，因为在甲状腺激素抵抗和TSH不适当分泌的患者中大多是TRβ基因突变，近期TRα基因突变也有报道。TRβ与转录起始位点附近的特定顺式激活DNA序列结合，TSHβ基因的T3反应元件位于+3～+37区段，+3～+13、+28～+37两个T3受体结合位置介导T3对TSH的抑制效应。T3反应可通过受体单体、同源二聚体发挥，也可通过异源二聚体类视黄醇-X受体（Retinoid-X Receptors，RXR）发挥。TtT-97促甲状腺素肿瘤细胞系和TαT1 促甲状腺细胞系体外实验证实，RXR的选择性配体抑制TSHβ基因的表达，这个现象已在肿瘤患者得到验证，给予维甲酸贝沙罗汀（Retinoid Bexarotene）治疗后诱发中枢性甲减（低T4伴低TSH）。RXR选择性视黄酸LG 268，降低小鼠血循环中的TSH和T4水平，同时伴有TSHβ基因mRNA表达降低，而对TRH无影响。以上提示其对垂体促甲状腺细胞的直接抑制作用。(https://www.daowen.com)
也有研究对人TSHβ基因外显子1附近的负性反应元件的功能提出异议，因为将其敲除后并不削弱T3对TSHβ基因启动子活性的抑制效应。配体化的TRβ可通过其DNA结合域与Gata2的锌指结构域相互作用。结合T3的TR可与TRAP220相互作用。因此，可能的机制是，具有转录激活功能的Pou1f1/Gata2/TRAP220复合体与TSHβ基因启动子的干涉作用在介导T3对TSH合成的负反馈效应中至关重要。
T3可通过很多机制促进基因转录。在配体不存在的情况下，TR与DNA顺式激活反应元件结合，与核受体辅阻遏分子家族相互作用，募集组蛋白去乙酰化酶进行染色质结构修饰，从而导致目的基因的表达抑制。当T3存在时，核受体辅阻遏分子很快与TR解离，取而代之的是转录辅助复合体与TR结合，增加局部组蛋白甲基化水平和乙酰化水平，使染色质结构松散而利于基因转录。有激活功能的转录因子，如TRAP220随后募集到TR，通过蛋白间相互作用而激活Ⅱ型RNA聚合酶介导的基因转录。
相比而言，T3对TSH亚单位基因的负性调控机制并不是很清楚。与配体结合的TRβ被报道可募集组蛋白去乙酰化酶3，降低H4组蛋白的乙酰化水平，从而使TSHβ基因结构紧密不利于转录起始。在无T3作用条件下，NcoR/SMRT、TBL1、HDAC3组成的辅阻遏复合物和TRβ结合，共同作用于TSHα基因启动子，决定组蛋白乙酰化水平和基因转录基础效率。T3与TR的结合使NcoR/SMRT、TBL1、HDAC3辅阻遏复合物与TR解离，致使某些基因位点的组蛋白H3乙酰化水平升高，cAMP引起的H4乙酰化作用使TSHα基因被负性调控[23]。多项体内及体外研究证实，TSHβ基因的负性调控需要TRβ完整的DNA结合域的存在。在一项研究中发现，联用Pou1f1 和 Gata2可以激活同时含有TRβ1基因序列的质粒重组DNA中的TSHβ（-128/+37）受体基因，无论T3存在与否。研究者还发现，未与T3结合的TRβ不能增强启动子活性，而缺失N-末端和DNA结构域的TR β1分子不能传达T3刺激对TSHβ基因启动子的负性调控[24]。转基因小鼠模型中，利用基因靶向技术将缺乏DNA结构域的TR β基因取代野生型基因并不改变配体和辅助因子之间的相互作用。TR β纯合子突变的小鼠会发生中枢性甲状腺激素抵抗，血清TSH水平较对照小鼠升高20倍伴血T3 2～3倍升高，这种表现型与TR β敲除的小鼠相同。
促甲状腺细胞含有甲状腺激素受体的所有亚型：TR α1、TR β1、TR β2和非T3结合的变构体。垂体和下丘脑内的T3反应性TRH神经元主要表达TR β2，对TSH的调节至关重要。TR β2基因敲除鼠表型与垂体型甲状腺激素抵抗一致，即使在TR β1 和TR α1存在的情况下，血清TSH水平和甲状腺激素水平显著升高，提示TR各异构体在功能上不存在代偿机制。TR β而不是TRα可与TSH β基因启动子区相互作用；TR β基因敲除而TRα正常表达的细胞中，T3对TSHβ基因转录的抑制效应完全消失TR和TR辅助蛋白组成的异二聚体，例如RXR，也可以与DNA结合形成异二聚体复合物，它们与特定DNA序列结合的亲和力各不相同，功能活性也各不相同[25]。RXR γ1是RXR的一个亚型，只在促甲状腺素细胞表达，可通过启动子区-200～-149区段的序列介导9-顺式维甲酸的对小鼠TSHβ基因的抑制作用，这段位于上游的序列不同于介导甲状腺激素转录抑制作用的常见序列。其他与TR相互作用的蛋白分子还包括共激活因子，如糖皮质激素受体相互作用蛋白-1（Glucocorticoid Receptor Interacting Protein-1， GRIP-1）、类固醇受体共激活因子-1（Steroid Receptor Coactivator-1， SRC-1）；辅抑制因子，如甲状腺激素受体和视黄酸受体的沉默中介蛋白（Silencing Mediator）、核受体辅阻遏因子（Nuclear Receptor Corepressor ， NCoR）。
很多研究聚焦于NCoR1与TRβ相互作用介导的TSH亚单位基因负性调控的分子机制。转基因小鼠模型表明，辅阻遏因子NCoR1对下丘脑-垂体-甲状腺轴的生理学作用是由垂体促甲状腺细胞表达的缺乏TR相互作用结构域的蛋白突变体完成的。虽然NCoR1突变小鼠的T3、T4水平较对照鼠降低，而血清TSH水平并不改变，表型与中枢性甲减一致；这项实验的研究结果也证实了低水平T3条件下，NCoR1对TSH亚单位基因表达的激活作用。在其他中枢性甲减的动物模型中，TSH水平轻度升高，而下丘脑-垂体-甲状腺轴无反应。以上结论提示，NCoR1可通过调节甲状腺激素受体介导的TSH抑制效应而重新设定甲状腺轴并控制垂体TSH分泌。
甲状腺激素可同时从下丘脑和垂体水平调节TSH分泌，有很多研究致力于评估两者的相对作用效果。应用TRH或TR β单基因敲除鼠，或两者同时敲除的小鼠，结果证实，TRH在体内下丘脑-垂体-甲状腺轴的调节中发挥主要作用，下丘脑分泌TRH的细胞是TSH合成和甲状腺激素合成的必要条件，并且控制下丘脑-垂体-甲状腺轴的调定点。甲减时，促甲状腺素细胞对反馈调节信号做出的适当的反应需要TRβ和TRH的共同参与。
3.TSHα亚单位合成的下丘脑调节：下丘脑来源的TRH调节TSHα亚单位的合成需要两个转录因子P-Lim 和CREB 结合蛋白（CBP）的参与。CBP可与TSHα亚单位基因启动子-151～-135区段结合，Pou1f1样蛋白可与远端-223～-190区段结合，人糖蛋白激素α亚单位基因启动子区的CRE元件由-146～-111区段的长度为18bp的重复序列组成。TRH刺激P-Lim 和CBP的转录，两个转录因子间的相互作用协同参与α亚单位基因启动子的激活。P-Lim直接与TSHα亚单位基因启动子区结合，而CBP不直接与DNA结合，它必须借助转录因子间的相互作用募集到启动子区，而且只有在TRH刺激存在的条件下才能形成P-Lim/CBP复合体。在转染过表达的非垂体CV1细胞系，TRHR1的表达使Gata2依赖的TSHα基因启动子转录激活增加，这表明TRH信号通路有Gata2的参与，可同时激活TSHβ和α亚单位的基因表达。多巴胺可同时抑制促甲状腺细胞TSHα基因和β基因的表达，机制与细胞内cAMP水平降低有关[26]。
4.TSHα亚单位合成的外周调节：甲状腺激素抑制促甲状腺细胞TSHβ亚单位基因转录的同时也抑制α亚单位基因转录。人糖蛋白激素α亚单位基因启动子区的T3反应元件定位于-22～-7区段，在啮齿类动物高度保守。T3受体的不同亚型和辅助抑制因子SMRT、NCoR的相互作用介导T3的抑制效应。有研究证实，α亚单位基因启动子区T3反应元件突变可导致其不能被TR结合，但并不会消除T3对基因转录的抑制作用，提示在T3抑制α亚单位基因表达的过程中蛋白-蛋白相互作用比蛋白-基因相互作用更重要。
5.TSH糖基化调节：TRH和甲状腺激素是参与TSH分子糖基化修饰过程的主要调节分子。原发性甲减、甲状腺激素抵抗或TRH治疗等可通过提高TSH分子的糖基化水平而使TSH生物学活性升高。中枢性甲减、TSH分泌性垂体瘤、甲功正常的尿毒症等疾病状态时，TSH分子糖基化水平都会发生变化，低聚糖残基的硫化作用和唾液酸化作用也会发生改变。新近研究报道，甲状腺激素可通过降低TSH分子唾液酸化而增强其生物学活性。