甲状腺激素干扰物对鱼类甲状腺轴的干扰效应研究进展

刘莉云，高 璐，薛永来，杜道林

(江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212013)

甲状腺是脊椎动物体内重要的内分泌腺，其分泌的甲状腺激素在人类和动物的生理过程中发挥着重要作用，包括调节生长、能量代谢、组织分化和发育以及维护大脑等[1]。环境中许多化学污染物可以影响生物体甲状腺激素(thyroid hormones，简称THs)的合成、分泌、运输、作用和代谢等过程，从而影响甲状腺的结构和功能，这类污染物被统称为甲状腺激素干扰物((thyroid-disrupting chemicals，简称TDCs)。目前，TDCs是继环境雌激素之后，被广为重视与研究的一类内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals，简称EDCs)[2-4]。TDCs不仅会干扰甲状腺激素的合成与代谢、相关酶的活性、甲状腺调节基因的表达，还可与甲状腺激素转运蛋白竞争性结合以及通过下丘脑-垂体-甲状腺轴(hypothalamus-pituitary-thyroid axis，简称HPT)的反馈调节对甲状腺激素产生干扰，从而影响机体的正常生理功能[5-6]。

迄今已有大量研究表明，TDCs能伴随人类生产、生活进入环境水体，对水生动植物、水生生态系统及人类健康造成威胁[7-9]。为明确TDCs对鱼类HPT轴的干扰效应及其作用机制，研究人员选用不同的鱼种进行研究并得出大量TDCs相关毒性数据，对水环境中TDCs的生态风险及毒性评估具有重要意义。目前，虽已有大量文献报道了TDCs对鱼类HPT轴的干扰研究，但相对较为零散，并没有全面系统地来阐述TDCs对鱼类HPT轴的干扰效应及机制。因此，在前人研究的基础上，本文重点综述TDCs对鱼类甲状腺轴干扰效应的最新研究进展，归纳分析TDCs对鱼类甲状腺激素水平的不同影响、甲状腺组织病理学变化、HPT轴相关基因表达以及对鱼类生长发育指标的影响，阐述TDCs的种类和浓度、鱼的种类与性别及不同发育阶段等对鱼体甲状腺轴的干扰差异，在HPT轴基因表达基础上简要分析其可能的干扰机制，并对未来的研究方向进行展望。

1 TDCs对THs水平的干扰效应

THs对鱼类生长、发育、行为具有重要的调节作用，鱼类甲状腺激素主要有T3(三碘甲状腺原氨酸)和T4(四碘甲状腺原氨酸)2种，维持T4和T3的正常水平是鱼类调节多种生理过程的基础[10]。环境中各类TDCs干扰鱼体甲状腺后，引起最直观的表现即为T3、T4水平紊乱，不同TDCs的种类与浓度、鱼的种类与性别以及鱼类不同发育阶段与暴露方式均会导致硬骨鱼THs水平发生不同方向和程度的变化。

1.1 T3或T4水平下降

TDCs干扰最为常见的是造成鱼类甲状腺激素水平的下降，即甲减。有些TDCs会同时引起鱼体内总T3、T4水平的降低，瞿璟琰等将红鲫(Carassiusauratus)暴露于四溴双酚A(tetrabromobisphenol A，简称TBBPA)28 d后，使红鲫血清总T4和T3水平降低，这可能与TBBPA能竞争性抑制甲状腺中碘化物与钠/碘位点的结合，阻碍了THs合成有关，并进一步导致上皮细胞的代偿性肥大和增生[11]；Li等在研究中也得到了类似结果[12-13]。

有些TDCs干扰鱼体只引起T3和T4其中一种甲状腺激素水平的降低，对另一种无显著效应。Zhang等将雄性金鱼持续暴露于久效磷(moncrotophos)中能显著降低血浆T3水平，但对T4水平无显著影响，导致T3与T4比率降低，推测这可能是久效磷主要通过加强T3水平代谢造成的干扰[14]；久效磷暴露河鲈(AnabastestudineusBloch)后也得到类似结果[15]；Yu等用10 μg/L多溴联苯醚(DE-71)暴露斑马鱼(Daniorerio)幼鱼14 d后显著降低了T4水平，对T3水平无显著影响[16]。

1.2 T3升高、T4下降或T3下降、T4升高

研究发现，某些TDCs引起鱼类的一种THs下降的同时会引起另一种THs的上升。Wang等采用不同浓度的磷酸三(2，3-二氯丙基)酯[tris(2，3-dichloropropyl) phosphate，简称TDCPP]暴露斑马鱼幼鱼，发现50、100、300、600 μg/L 处理组的T4水平相对于对照组均发生显著下降，高浓度(300、600 μg/L)组T3水平相对于对照组分别增长2.4、4.8倍[17]；硫磷暴露蟾胡子鲇(Clariasbatrachus)[18]与全氟辛烷磺酰基化合物(perfluorooctane sulfonate，简称PFOS)和纳米氧化锌(Nano-ZnO)复合暴露斑马鱼幼鱼[19]对T3、T4水平具有类似的刺激作用，但这并不能证明PFOS和TDCPP的干扰机制是否类似；Liu等研究发现，微囊藻毒素(microcystin-LR，简称MC-LR)暴露斑马鱼幼鱼(出膜后1个月)使所有处理组的T4水平均发生显著上升，总T3水平在5、25 μg/L MC-LR处理组暴露21 d后发生了显著下降，而在暴露 28 d 后，T3水平仅在25 μg/L MC-LR暴露组中发生显著下降，这表明甲状腺激素水平的变化不仅与TDCs的处理浓度有关，也与处理时间密切相关[20]；Yang等将窗口期斑马鱼幼鱼暴露于不同浓度的乙草胺溶液中14 d后发现，T3水平明显下降而T4水平明显上升[21]；三唑酮暴露斑马鱼也产生类似干扰作用[22]。

1.3 T3、T4水平升高

TDCs不仅会引起甲状腺激素水平下降，有些TDCs也可诱导刺激HPT轴，引起T3、T4水平的共同上升。Chang等研究中将成年雄/雌斑马鱼暴露于不同浓度(0、25、50、100 μg/L)丁草胺中发现，在100 μg/L暴露30 d后，T3和T4水平均出现显著上升。值得注意的是，在雄性斑马鱼中T3和T4水平在50 μg/L处理组也发生显著上升，而雌性斑马鱼在此浓度组无显著变化[23]，这表明丁草胺诱导甲状腺激素水平变化还可能与鱼的性别有关；多溴联苯醚(poly brominated diphenyl ethers，简称PBDEs)暴露斑马鱼与HgCl2、MeHg暴露虹鳟幼鱼(Oncorhynchusmykiss)后也引起T3和T4水平显著上升[24-25]。

1.4 干扰FT3、FT4水平

游离的FT3(游离三碘甲腺原氨酸)和FT4(游离四碘甲腺原氨酸)可表示血液中能够扩散的、潜在的一部分具有生理功能的甲状腺激素水平，对于FT3、FT4的水平表征也是评价其稳态的重要标准之一[8]。Zhang等同时检测了久效磷暴露后的雄性金鱼体内总T3、T4水平和FT3、FT4的水平发现，1 mg/L 暴露组的FT3水平由对照组的(2.64±0.06) pg/mL 下降到(1.23±0.22) pg/mL，并且久效磷虽然对总T4水平没有显著影响，但0.1 mg/L暴露组FT4相对于对照却出现显著下降，表明鱼体内FT3、FT4水平并不一定与总T3、T4水平变化相一致[14]；在瞿璟琰等研究中，FT3和FT4水平没有发生显著改变，这可能是游离的THs水平与进入细胞内的THs能够相互调节相关[11]。因此，同时检测鱼体内T3、T4和FT3、FT4水平更有助于研究TDCs对鱼体HPT轴的干扰效应及机制。

另外，多氯联苯(polychlorodiphenyls，简称PCBs)对银大马哈鱼(Oncorhynchuskisutch)和比目鱼(Piatichthysflesus)等不同鱼类进行暴露处理后，会引起T3、T4水平发生不同变化，这表明PCBs对鱼类甲状腺激素的干扰作用会受到不同鱼种的影响[26-27]。

2 TDCs干扰甲状腺滤泡的组织病理学变化

甲状腺组织病理学变化已经被经济合作发展组织(organization for economic co-operation and development，简称OECD)列为对TDCs进行筛选的标准方法之一[28]。甲状腺组织病理学变化可以直观反映外源化学物质对甲状腺的损伤作用，对于分析外源化学物的干扰效应及制毒机制具有重要意义。TDCs引起的鱼类甲状腺组织结构损伤主要包括甲状腺滤泡上皮厚度改变、滤泡细胞肥大、增生、胶质减少、血管增生以及充血等现象。通过观察鱼类甲状腺滤泡上皮细胞肥大率、增生率、胶质减少率、胶质/滤泡面积比以及血管增生分数等指标能够反映TDCs对甲状腺组织的干扰效应[29]。

董怡飞发现，aroclor 1254可使褐牙鲆(Paralichthysolivaceus)幼鱼的甲状腺滤泡变小且数量显著小于对照组，表明aroclor 1254暴露可抑制褐牙鲆甲状腺滤泡的合成，并且这些小的甲状腺滤泡合成THs的能力不足，这可能是导致仔鱼T4和T3水平无法升高的重要原因[30]；瞿璟琰等将红鲫分别暴露于TBBPA和五溴酚(pentabromophenol，简称PBP)中6周后发现，红鲫甲状腺出现滤泡上皮增厚、细胞肥大和增生等现象[31]。值得注意的是，TBBPA和PBP暴露红鲫引起细胞增生、肥大，但胶质缺少现象并不明显，这是由于胶质减少是滤泡损伤严重的表现，一般出现在甲状腺上皮细胞肥大、增生之后，表明PBP和TBBPA对甲状腺滤泡的干扰作用可能相对较小[32]；同样，多氯联苯aroclor 1254、1260的混合物对海鲈鱼(Dicentrarchuslabrax)进行暴露，使甲状腺滤泡上的顶膜端出现大量胶质液滴，加大了滤泡大小差异程度，这是影响T4水平降低的原因之一。其中，胶质液滴的出现可能是在TDCs造成THs水平下降后，受HPT轴对甲状腺组织的负反馈调节作用，增强了THs分泌活性[33]；Liu等发现，斑马鱼暴露于砷酸钠和高氯酸钠会导致其滤泡上皮细胞高度增加，上皮细胞和血管增生，并认为最为敏感的指标是滤泡上皮细胞高度，其次是滤泡面积百分比[34]；MC-LR暴露青年斑马鱼同样引起滤泡细胞肥大、增生现象，这与TSH基因表达显著升高过度刺激甲状腺密切相关[20]；Zhang等用久效磷农药暴露雄性金鱼后发现，随着浓度从 0.01 mg/L 升高到1.00 mg/L，甲状腺滤泡出现了滤泡上皮细胞灶性增生、滤泡细胞肥大、胶质缺失及上皮细胞周边的胶质出现吸收空泡等现象，表明其损伤具有明显剂量依赖效应[14]；高氯酸盐[35]、乙烯雌酚[36]等TDCs都可导致鱼类甲状腺组织发生显著性病变[37]。

3 TDCs对HPT轴基因表达的干扰效应及机制

THs水平和甲状腺组织病理学变化是TDCs对鱼体HPT轴干扰效应的直观表征，而定量检测HPT轴关于甲状腺激素合成、分泌、转运和代谢等相关基因的转录表达水平也是评估甲状腺功能和活动的重要生物标志物[38]。甲状腺调节基因不仅可以直接调控相关酶活性表达及甲状腺激素水平变化，同时THs水平变化也可以通过反馈调节相关基因表达而实现对整个生理过程的调控。因此，研究TDCs对鱼类甲状腺轴相关基因表达的影响有助于从分子机制阐明TDCs的干扰作用机制[39]。

3.1 干扰神经内分泌系统

在鱼类HPT轴中THs的合成和分泌受到下丘脑的促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin releasing hormone，简称CRH)、促甲状腺激素释放激素(thyrotropin-releasing hormone，简称TRH)和垂体分泌的促甲状腺激素(thyroid stimulating hormone，简称TSH)调节，同时CRH、TRH和TSH的分泌对HPT轴的调节作用会受到THs水平变化的反馈调节作用。通过实时定量PCR对CRH、TRH和TSH基因水平进行表征，可从下丘脑-垂体水平分析TDCs对硬骨鱼HPT轴的干扰作用。

在硬骨鱼中，对垂体合成分泌TSH起促进作用的不仅为下丘脑分泌的CRH，在对鳙鱼(Aristichthysnobilis)[46]和日本鳗鲡(Anguillajaponica)[47]等研究中，下丘脑是通过分泌促甲状腺激素释放激素促进垂体合成TSH。鱼类神经内分泌系统对甲状腺激素的调控机制仍有待进一步研究。

3.2 干扰THs的合成

钠碘转运体slc5a5(nis)、甲状腺球蛋白(thyroglobulin，简称TG)、甲状腺过氧化物酶(thyroid peroxidase，简称TPO)与甲状腺激素的合成有关[48]。nis主要在甲状腺组织表达，指导钠-碘转运体蛋白的合成，把碘从血液中吸收运输到甲状腺滤泡中，这是甲状腺激素合成的第1步[49]。乙草胺暴露斑马鱼使仔鱼nis的表达上调，与TSH表达升高一致，这表明乙草胺能促进甲状腺对碘的摄入促使体内T4含量上升，加快鱼体生长[38]。戊唑醇暴露斑马鱼引起的幼鱼nis转录水平升高，可能与T4水平降低的补给机制有关[50]；PFOS暴露斑马鱼可使幼鱼nis转录水平提高，但TSHβ表达下降，这可能是由于nis除了受到TSH的调控作用，Pax8(甲状腺发育和分化的标志基因)也可刺激nis的表达[51]。Shi的研究结果[52]可说明这一观点。

TG是甲状腺激素的前体蛋白，被甲状腺用来合成甲状腺激素。一般情况下，TG的表达上升会导致THs水平升高。最近研究发现，THs水平的下降会由于负反馈调节作用诱导TG表达上升，例如水性镉和microcystin-LR等的暴露影响[12-13]。TPO是由甲状腺滤泡细胞合成，催化甲状腺激素的重要酶，可催化碘化酪氨酸残基在甲状腺球蛋白多肽链产生甲状腺激素前体和随后产生的T3、T4与TG共价结合[53]。甲基对硫磷能轻度抑制印度囊鳃鲇(Heteropneustesfossilis)TPO活性，并最终阻碍THs的合成[54]。乙草胺暴露除引起斑马鱼幼鱼nis基因上调，也可引起TPO转录水平上调，进一步表明乙草胺能促进甲状腺激素T4合成，促进鱼体生长[21]。

3.3 干扰THs的转运

另外值得注意的是，很多TDCs(如多氯联苯、多嗅联苯醚等)的化学结构与THs相似，能与THs竞争其血浆运载蛋白上的结合位点，通过干扰其转运过程影响THs的平衡。研究表明，多溴联苯醚能同T3竞争结合TTR，且相比T3，多溴联苯醚同TTR的结合能力更强，这会导致可利用的THs水平升高[57]。目前，利用TDCs竞争结合TTR引起鱼体HPT轴干扰效应的研究较少，仍有待进一步探索。

3.4 干扰THs在外周组织中的转化与代谢

在维持甲状腺激素稳态过程中，尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(uridine diphosphoglucuronyl transferase，简称UDPGT)和硫酸基转移酶(sulfotransferase，简称SULT)也发挥着重要的生理作用，通过催化THs的葡萄醛酸化或硫酸化，增加THs水溶性，使其通过胆汁、鳃、尿和皮肤等排出体外[63]。TDCs可通过干扰THs代谢过程中的硫酸化、葡萄糖苷化作用，影响其在肝脏等组织中的代谢和清除过程。乙草胺暴露斑马鱼仔鱼抑制UDPGT表达，这会减少T4的葡萄糖醛酸化或硫酸化过程，影响T4的代谢，使T4在生物体内产生累积[38]。DE-71 也产生类似的诱导结果[16]。PCBs诱导湖鳟鱼(Salvelinusnamaycush)肝脏中的UDPGT表达，是由于其与芳香烃受体结合引起的，促进T4及其代谢产物经胆汁排除[64]。在硬骨鱼中关于SULT的研究相对较少。Schnitzler等研究发现，Aroclor 1254、1260的混合物暴露没有影响海鲈鱼肝脏 T4-UDPGT 的活性，却使SULT活性降低[33]。

3.5 干扰THs的受体结合蛋白基因表达

4 TDCs对鱼类生长发育的干扰效应

TDCs可通过干扰鱼类甲状腺系统中甲状腺激素水平、甲状腺组织结构及基因表达影响甲状腺正常生理功能，同时会对甲状腺激素调节的一系列生理过程如生长发育和变态过程等产生间接影响[66]。研究发现，对仔鱼进行外源甲状腺激素处理能够促进卵黄囊吸收、色素沉着、仔鱼游泳能力增强及抗菌能力提高等现象，均表明THs对幼鱼的生长发育有重要作用[67]。因此，TDCs对THs的扰乱作用会直接影响幼鱼的生长发育过程。

体长、体质量与生长因子(condition factor，简称CF)可反映食物的摄入、脂肪积累和蛋白存量等，是检测鱼类生长发育过程的重要指标，过高或过低的THs均会对鱼类的生长产生干扰作用[68]。Schmidt等研究发现，高氯酸钾暴露斑马鱼仔鱼导致其T4含量下降、虽然仅在个别浓度组体质量和体长出现轻微变化，但CF在所有浓度组均显著降低，这表明生长因子可以更客观地反映生长发育过程的变化[69]。多氯联苯Aroclor 1254[33]、高氯酸铵[39]及PFOS[43]均可导致幼鱼体长、体质量显著降低。

硬骨鱼从仔鱼向幼鱼转变的变态过程中经历的一系列涉及组织分化、生化、分子和生理状态改变过程(如相关组织和器官的发育)等也均依赖THs的调控作用[70-71]。在两栖类动物中已经发现，污染物可通过干扰甲状腺作用导致变态过程迟缓和后代畸形率增加[72-73]。但在鱼类中，将THs水平变化与其所调控的变态过程相结合分析TDCs对鱼类甲状腺干扰效应研究较少。牙鲆是一种变态特征较显著的硬骨鱼类，董怡飞研究利用多氯联苯Aroclor 1254处理褐牙鲆发现，对照组仔鱼THs水平在变态高峰期显著升高，但暴露组明显延迟了THs升高的时间，并且至试验结束，仍有42%的仔鱼处于变态高峰期，表明Aroclor 1254暴露明显可以抑制仔鱼变态过程[30]。

5 展望

近年来，随着释放到环境水体中的TDCs对人类及生态系统的威胁逐渐加剧，关于TDCs对鱼类HPT轴的干扰效应也逐渐受到人们关注。通过归纳分析可见，虽然目前国内外已经对TDCs对鱼类的影响及致毒机制开展了一系列工作，但尚不全面，今后应从以下几个方面开展更深入地研究工作。

鱼类内分泌系统中的甲状腺轴、生殖轴和肾上腺轴调控的生殖、应激等功能之间存在密切的联系，如在一些硬骨鱼研究中，THs的转运、转化会受到雌激素17β-雌二醇的影响，并且THs也会在鱼类的应激反应中发挥作用[74-75]。因此，可从THs与性激素及肾上腺素等内分泌激素间相互作用角度切入，分析TDCs通过对THs水平扰乱，进而对鱼类生殖及应激反应的间接干扰作用，为污染物对鱼类内分泌系统干扰提供更可靠的依据。

甲状腺激素在鱼类早期发育阶段起着至关重要的作用[76]，发育早期阶段的幼鱼对THs的依赖程度更高，更为敏感。研究证明，在鱼类中甲状腺激素在调控鲆鲽类的变态过程中起主要作用。但目前从鱼类变态及其他发育过程分析TDCs干扰效应的研究很少，多偏向于简单的体质量、体长单一指标的检测，将甲状腺干扰常规指标与生长发育及外周调控的级联指标相结合分析，能够更全面地分析TDCs对鱼类HPT轴的间接干扰效应和评估其生态毒性。

在TR受体水平和受体后效应上，多数鱼类中相关基础研究较缺乏，导致这类指标在鱼类甲状腺干扰研究中应用较少。近期在鱼类中研究较多的仅是TDCs对TRα、TRβmRNA表达水平的影响，对TR信号途径及属性影响分析未见相关报道。由于TR信号传导机制在污染物致毒效应的重要性，关于TDCs影响TR信号传导的具体影响机制须要更深入地研究。