五、1型脱碘酶
1.基因结构：正常人体体内约20%的T3是在D1的催化作用下由T4转化而成，在甲状腺毒症的患者中，这一比例可超过50%，D1是唯一一种同时具有内环和外环脱碘作用的硒蛋白酶，而D2和D3则分别具有外环和内环脱碘作用。人类D1的基因位于染色体1p32-p33，共有249个氨基酸残基，由4个外显子组成，外显子1编码5' UTR和第1～112位氨基酸，外显子2编码第113～160位氨基酸，外显子3编码第161～227位氨基酸，外显子4编码第228～249位氨基酸以及3' UTR，包括SECIS元件。D1基因的完整cDNA序列已经在人、大鼠、小鼠、犬和鸡等物种中得到确定。D1的mRNA长度为2～2.1kb，在活性位置存在一个UGA密码子[4]。
2.组织分布：通过Northern Blot发现，D1在大多数脊椎动物的多种组织中存在。在大鼠中，它存在于肝脏、肾脏、中枢神经系统、垂体前叶、甲状腺、小肠和胎盘中。值得注意的是，在人的中枢神经系统中没有D1的存在，而D1存在于人肝脏、肾脏、甲状腺和垂体中。同时，利用D1敲除的转基因大鼠研究发现，D1与碘的代谢过程密切相关。二碘甲状腺原氨酸水溶性很强，易通过胆汁和尿液途径被代谢，但肝脏和肾脏的D1对其亲和力很高，可以有效催化其降解，避免碘以甲状腺原氨酸形式流失。尽管D1在不同物种的表达方式已经得到证实，但关于其中的调控机制尚不完全明确。在鸡的发育过程中，在胚胎发育第15天时，肝脏D1的活性最低，然后逐渐升高直到孵化。也有研究发现D1的mRNA的表达并不是一致性的变化，因此D1的变化与发育的关系尚不明确。大鼠在胚胎发育第19～20天时，肝脏和肾脏D1的mRNA表达很少，在出生时到出生第10天内逐渐升高，成年后进一步升高。小肠D1的表达与肝脏和肾脏相似，但其在出生第10天后显著下降。下丘脑和甲状腺的D1从出生第12天开始上升，直到成年。关于人体D1的发育变化只在肝脏组织进行过研究。利用20周流产儿、27～32周早产儿和39周足月儿的尸检肝组织发现，D1活性与胎儿年龄无关。人D1的研究结果与鸡的结果相似，但与大鼠的结果不同。另外，尽管胎儿内确实存在D1的表达，但胎儿血清T3水平依然很低，其机制可能与肝脏D3的表达增加有关。不同周龄大鼠D1活性的变化已经得到研究，总的来说，D1活性在胎鼠的各种组织中均很低。子鼠出生后，D1逐渐在小肠、肝脏、肾脏、大脑和腺体组织中开始表达。D1的mRNA表达与年龄变化相关，但其中机制尚不清楚。
3.甲状腺激素对D1的影响：多种动物实验表明，甲状腺激素可以提高D1的活性和增加D1的mRNA表达，尽管这种调节作用并不是在所有物种中均存在（马除外）。通过甲状腺激素受体基因敲除大鼠研究发现，T3对于D1的刺激作用主要是通过甲状腺激素受体的β亚基作用的[5]。因此，甲亢时D1的表达增加，相应地增加了T3的合成。事实上，甲亢患者中T3水平增高的程度超过T4。与正常甲状腺相比，Graves病的患者甲状腺的D1活性可以增加3倍。另外D1的抑制剂PTU可以使T3水平显著下降，提示D1在甲亢患者中所起到的作用超过正常人。
4.细胞因子对D1的影响：白介素1（IL-1）、白介素6（IL-6）、肿瘤坏死因子（TNF-α）和其他细胞因子均可以显著影响甲状腺功能，特别是对于患有严重非甲状腺疾病的患者。TNF-α、IL-1β和干扰素γ可以下调大鼠甲状腺FRTL-5细胞的D1活性和mRNA的表达，但TNF-α对D1的调节作用在肝细胞和HepG2细胞实验中结果相反。在HepG2细胞，通过NFκB通路，TNF-α下调了T3对于D1的mRNA的刺激作用。在大鼠肝细胞中，IL-1β和IL-6阻止了T3对于D1的mRNA和活性的刺激作用，然而TNF-α未发现相同作用。同时，IL-6的阻断作用，不是通过刺激环磷腺苷酸反应元件结合蛋白（Cyclic AMP Responsive Elementbinding protein，CBP）或CBP相关因子（CBPAssociated Factor，CAF），而是通过抑制细胞核类固醇受体共激活因子1（Nuclear Steroid Receptor Co-Activator-1，SRC-1）共表达的方式进行的。值得注意的是，细胞因子对于垂体D1的作用与上述变化不同，在大鼠垂体细胞系中，IL-1可以使D1的表达增加1.8倍，IL-6和TNF-α同样也可以刺激D1表达上升，但不具有统计学差异。另外，脂多糖可以使大鼠垂体前叶D1表达增加1.5倍，但肝脏D1水平却出现下降。
5.激素对D1的调节作用：雄鼠肝脏D1的活性和mRNA表达明显高于雌鼠，但在肾脏中雌雄鼠未见明显差异。去势处理可以降低肝脏D1的活性，而经睾酮治疗后，D1活性和mRNA表达均可以得到恢复。有研究发现卵巢切除后的雌鼠D1活性下降，但结果存在争议。黄体酮可以抑制D1，但其中的机制尚不明确。除了性激素对D1具有影响之外，肾上腺皮质激素也能抑制D1的活性。生长激素则可激活D1，表现为生长激素缺乏症患儿在替代治疗过程中循环和游离T4均出现升高。
6.摄食行为对于D1的影响：研究发现在禁食条件下，人体血清T3水平下降、rT3水平上升，说明外周的甲状腺激素代谢过程可以受到生理或病理条件的影响。甲状腺激素受体β1和D1选择性地表达于大鼠的肝脏组织的特定区域。甲状腺激素受体β1的表达具有昼夜变化的特点，在19时半最高，在13时半时最低，变化幅度可达30%。这种变化可能与另一种T3反应性的肝细胞基因——谷氨酰胺合成酶有关。早期有关大鼠肝脏D1活性的研究中发现，在禁食条件下，T4向T3的转化下降，究其原因，可能与硫醇化合物的减少有关，硫醇化合物是D1介导的T4向T3转化反应的共底物，然而，其作用尚未完全得到证实。尽管大鼠被广泛用于研究饥饿和疾病条件下的甲状腺激素变化，但大鼠模型很难完全模拟人的实际情况。由于与人体相比，大鼠的脂肪含量很低，当大鼠处于饥饿时，血清TSH和T4浓度显著下降。然而，尽管大鼠肝脏D1的活性下降，但在饥饿时大鼠体内T4向T3转化的总数量并未减少。这种TSH、T3和T4的显著下降很有可能与瘦素缺乏有关。当给予大鼠每天固定时间（12时至14时）禁食，D1活性在8时和11时时下降，但在进食后（16时）升高，可达3～4倍。然而尽管D1的活性发生了巨大变化，但D1的mRNA保持不变。同样也有研究发现禁食可以降低D1的活性和mRNA表达。
另外，利用高脂饲料喂养的肥胖大鼠在饥饿时，血清T3和T4轻度下降，使其继续饥饿，血清T3水平出现升高。相反，人体在饥饿时，血清T3水平迅速下降，超过50%，并一直在低水平状态下保持长达3周，而此时的血清T4和TSH变化不大。(https://www.daowen.com)
7.硒蛋白与D1：利用75Se标记技术，证实了微量元素硒与D1的功能有着至关重要的关系，研究发现硒缺乏大鼠肝脏D1的活性下降。然而，硒缺乏对于细胞内硒蛋白合成及代谢过程的影响，特别是对于含硒脱碘酶的影响，是具有组织特异性的。举例来说，在硒缺乏大鼠中，甲状腺D1的活性并未发生变化，然而肝脏D1的活性显著下降，血清T3上升，而血清T4未变。硒缺乏也可降低肾脏D1的活性和mRNA表达。硒缺乏常出现于低蛋白饮食的患者中，尤其是患有苯丙酮尿症或者高龄的患者中。人体如出现硒缺乏，血清T4和血清T4/T3轻度升高，TSH正常。在非洲的一个地方性甲状腺肿的病区中，碘缺乏病的患者同样伴发出现了硒缺乏，当经过补硒治疗后，甲状腺功能进一步恶化，血清TSH升高、血清T3下降，提示硒缺乏可能下调D1的活性，降低D1对T3和T4的脱碘作用，从而减轻碘缺乏所造成的危害。我国学者利用动物实验证实，补充一定剂量的硒可以对抗高碘所造成的肝脏和肾脏损伤，可以增加肝脏和肾脏D1的活性和mRNA的表达，但过量硒可能会造成新的损伤[6]。补硒也可减轻实验性自身免疫甲状腺炎大鼠甲状腺组织的损伤，提高D1活力；反之缺硒可加重其损伤，降低D1活力。另外，通过对蛋鸡研究证实，为基础饲料中额外补硒也可以显著增加蛋鸡肝脏D1的活性。
8.碘营养水平对D1的影响：我国学者关于碘营养和脱碘酶的关系进行了大量研究。王琨等观察碘缺乏和不同程度碘过量大鼠甲状腺组织型脱碘酶D1的mRNA的表达及活性的变化，把4周龄的Wistar大鼠随机分为不同碘营养状态组，分别饲养3个月、6个月和12个月后分3批处死动物，研究发现与正常组比较，各月龄低碘组大鼠甲状腺D1的mRNA 表达呈下降趋势（结果无统计学差异），各月龄高碘组大鼠甲状腺D1的mRNA 表达呈显著下降的趋势。与mRNA的结果不同，各月龄低碘组大鼠甲状腺D1的活性均显著升高，各高碘组D1的活性随碘摄入量的增加而呈逐渐减低的趋势，其中6月龄和12月龄50倍和100倍高碘组D1活性显著降低[7]。在其后续的研究中发现，碘缺乏小鼠甲状腺D1的mRNA表达和活性均显著升高，而碘过量可明显抑制D1的mRNA表达，但对D1活性并无显著影响。碘缺乏时甲状腺D1的mRNA表达及活性的上调可促进T4向T3的转化，以满足机体代谢的需要，而碘过量对D1表达的抑制可防止过量T3对机体的损伤。左爱军等研究发现大鼠肝组织D1的活性和mRNA表达在不同碘营养状态下具有明显差异，低碘组D1的活性和mRNA表达均明显高于正常组和高碘组，高碘组肝脏D1的活性显著低于正常组，而mRNA表达无明显差异[8]。佟雅洁通过动物实验发现24周龄时3倍及6倍高碘摄入使大鼠甲状腺、肝脏、肾脏D1的活性显著降低。
9.维生素对D1的影响：自由基造成细胞膜脂质过氧化不仅抑制甲状腺过氧化物酶活性，而且还影响到D1活性，使外周T4向T3的转化数量减少。维生素E和维生素C可以直接对抗自由基的生成，并具有保持D1活力的作用。有资料显示，在自由基暴露的情况下，给予维生素E 每天5mg/kg，能增加D1的活性。在对大鼠的研究中发现，维生素E缺乏可导致肝脏D1活性降低，而补充维生素E的治疗效果甚至优于补硒。
10.不同药物对D1的影响：多种药物可以影响D1的活性，尽管PTU主要是通过抑制甲状腺激素的合成过程治疗甲亢，但是大剂量的PTU也可以抑制D1的活性。由于甲巯咪唑并不具有这种作用，所以当出现甲状腺毒症危象时，PTU为首选用药。PTU的药理机制可能是其通过与D1活性中心的硒蛋白相结合而发挥抑制作用。抗心律失常药物胺碘酮也可以显著影响甲状腺功能。当应用胺碘酮后机体会出现血清T3下降，血清rT3增加，血清T4和血清TSH水平增加。之后血清T4进一步上升（通常高于正常值上限），而血清TSH和T3水平正常。这种变化可能与D1活性被抑制有关。尽管胺碘酮在体外实验中已经证实可以显著影响D1活性，但在体内实验中尚未得到相关证实。这可能与胺碘酮本身的溶解度有关。然而，在体内实验中已经证实胺碘酮的代谢产物可以抑制D1活性，其中机制可能是其与T4存在竞争性抑制。另外，含碘药物乙胺碘呋酮可使大鼠肝D1活性下降。某些中药也能影响D1表达，因宁片（主要含有黄芪、当归、生地、鳖甲等）能显著降低大鼠D1表达，并呈剂量依赖相关趋势，因宁片各不同剂量组均降低D1含量，其中，中、高剂量能显著降低 D1活性。
11.TSH对D1的调控：除了受到甲状腺激素的影响，甲状腺的D1也会受到TSH和cAMP的调控作用。研究发现，TSH和T3均可以增加大鼠甲状腺FRTL-5细胞系D1的mRNA表达。与TSH的作用相似，从Graves病患者血清中提取到的免疫球蛋白G也可以增加D1的表达。TSH和cAMP对于D1的作用机制尚不完全清楚，但其作用速度慢于T3的刺激，提示这种作用可能是间接过程。
12.哺乳对D1的影响：哺乳可以增加大鼠乳腺D1表达，为乳汁中提供更多的T3。大鼠乳腺D1的mRNA中包含1个小的3'非转录区域，但其是否具有生物学效应尚不得而知。研究发现，吮吸也可以通过刺激β受体增加乳腺D1的活性和mRNA的表达。另外，催乳素也可增加D1的活性，但对D1的mRNA表达没有影响。
13.非甲状腺疾病对D1的影响：将50例在重症监护室死亡的非甲状腺疾病患者的肝脏和骨骼肌进行活检。研究发现D1表达于所有病例的肝脏组织中。其中，由于心脏原因导致死亡的患者中，肝脏D1活性最低，多器官功能衰竭死亡的患者肝脏D1活性居中，而急性脑损伤死亡的患者中肝脏D1活性最高（与正常肝脏组织的D1活性基本一致）。但D1活性在肝脏良恶性肿物的患者中无明显差异。在另一项研究中发现，糖尿病大鼠肝脏和肾脏D1减少50%～60%，同时血清T3和T4也低于正常大鼠。经过胰岛素治疗后，肝脏和肾脏D1的mRNA表达可以逐渐回升，回升过程最早可出现于治疗后的72h，并持续到1周左右。相反，胰高血糖素可以导致D1的活性下降。由于在正常状态下，D1可表达于垂体前叶区域，所以垂体瘤细胞也可以表达D1。有研究将43例垂体瘤患者和3例正常垂体的D1活性进行比较，其中18例为无功能肿瘤、7例为TSH肿瘤、5例为GH肿瘤、1例为TSH合并GH肿瘤、8例为PRL肿瘤和4例ACTH肿瘤。尽管在不同肿瘤中D1的活性差异很大，但其中一半以上的垂体瘤组织D1表达高于正常垂体数倍，特别是垂体TSH和PRL肿瘤。除此之外，肥胖也可导致脂肪组织（皮下和大网膜脂肪组织）中的D1基因和活性增加。