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促甲状腺激素受体（Thyroid Stimulating Hormone Receptor, TSHR）主要在甲状腺细胞中表达，在脂肪细胞、眶周结缔组织、白细胞、皮肤、神经元等细胞中也有表达，由位于14号染色体长臂（14q31）的TSHR基因编码，TSHR基因突变引起的TSHR结构改变可引起相应的功能变化。TSHR分子由细胞外庞大的N-端区、7次跨膜螺旋、细胞内短小的C-末端3部分构成。静息状态时，TSHR胞外结构域抑制跨膜螺旋结构域的活性；当胞外结构域被TSH特异性结合，胞外结构域构象改变转化为跨膜螺旋结构域的激动剂，从而导致TSHR激活，并引起下游细胞内信号级联反应。甲状腺细胞的TSHR在TSH持续作用时会发生脱敏现象。
本节将主要从TSHR的分子结构、TSHR的编码基因、TSHR基因突变、TSHR激活机制、其他TSHR激活因子、TSHR脱敏等方面进行阐述。
TSH与FSH、CG、LH等其他糖蛋白激素分子具有相同的α亚基，这些激素的受体在结构上也具有类似之处，糖蛋白激素受体（GPHRs）是G-蛋白偶联受体（GPCRs）家族的成员。
TSHR结构可分为3个部分，如图4-7所示，细胞外庞大的N-末端，由3个细胞外环状结构连接的7次跨膜螺旋，细胞内短小的C-末端。7次跨膜螺旋结构域是G-蛋白偶联受体的代表性结构域，在糖蛋白激素受体中具有很高的同源性（75%）。细胞外庞大的N-末端结构域约含有400个氨基酸残基，是糖蛋白激素受体的特征性结构，决定着受体的特异性，不同糖蛋白受体间的同源序列仅占40%; TSHR胞外结构域中存在TSHβ亚单位的高亲和力结合位点。TSH受体只在甲状腺滤泡细胞的基底膜表面植入，这种现象与远离细胞膜的位于受体C-端结构域的731～746位氨基酸组成的信号肽有关。TSHR分子中含有6个N-糖基化位点，其中4个位点发生有效的糖基化修饰；糖链的生物学功能仍有争议，可能在受体分子穿越细胞膜的过程中参与路径引导和分子稳定性维持，还可能参与受体分子向细胞膜的植入。
图4-7 TSHR分子主要由3部分构成：细胞外庞大的N-末端由3个细胞外环状结构连接的7次跨膜螺旋和细胞内短小的C-末端，其中细胞外N-末端含有TSHβ亚单位高亲和力结合位点
不同于其他糖蛋白激素受体，TSHR胞外结构域中插入了一个包含50个氨基酸的序列，而LH/CG受体分子中没有相应的氨基酸序列。在受体分子翻译后修饰的过程中，金属蛋白酶介导的分子内裂解作用使TSH受体的N-端胞外结构域与跨膜螺旋结构域分离。酶切位点在受体氨基末端第314位点，在上述附加氨基酸序列之内，继而跨膜螺旋结构域氨基末端的50个氨基酸序列被移除。受体的氨基末端仍以二硫键与跨膜螺旋结构域的细胞外末端相连。这种TSHR特有的翻译后修饰的生物学意义仍不清楚，几乎所有野生型甲状腺滤泡细胞表面的TSH受体都是以裂解形式存在的，然而在转染过表达的细胞模型中，非裂解型TSH受体在生物学功能上与天然裂解形式的受体并无差异。
经研究证实，多数视紫红质样G-蛋白偶联受体都是二聚体以后，有学者推测TSH受体可能也是以二聚体或裂解二聚体形式存在于细胞上。已明确证实，糖蛋白激素受体可在体内形成二聚体，LH/CG受体基因敲除小鼠模型功能互补实验也证实受体二聚体可在功能上相互影响，共表达两个不完整的突变受体基因的小鼠是可生育的。转染细胞模型中可发现，细胞外结构域和跨膜螺旋结构域突变的TSHR之间在功能上存在互补现象。生物发光共振能量转移技术（Bioluminescence Resonance Energy Transfer , BRET）直接证明了TSHR二聚体的存在，而且TSHR二聚体对TSH结合过程发挥负性协同作用 [39] 。这种受体的变构效应的病理生理作用仍需要更多研究探讨。
糖蛋白激素与相应受体的胞外结构域特异性结合后，可通过激活与跨膜螺旋结构域偶联的G-蛋白引发一系列细胞内信号事件。与其他G-蛋白偶联受体不同的是，在跨膜螺旋结构域不存在的情况下，糖蛋白激素仍然可以与相应受体的胞外特异性结构域结合，跨越两个结构域之间的分子内信号传导机制也是糖蛋白受体家族所特有的。
人类TSHR编码基因位于14号染色体长臂（14q31），其基因长度超过60kb，含有10个外显子，类似其他G-蛋白偶联受体编码基因，TSHR基因中不存在内含子。9个连续的外显子负责编码TSHR庞大的胞外结构域，另外一个较大的外显子编码跨膜螺旋结构域和细胞内C-末端序列。糖蛋白激素受体家族的基因中还包含由5个以相同模式呈现的富含亮氨酸的重复序列的编码基因，其中LGR7和LGR8编码胰岛素样蛋白分子3（Insulin-like 3）和松弛素受体（Relaxin Receptor）；而LGR4、LGR5、LGR6编码孤儿受体，参与调节上皮干细胞功能。有学者推测，糖蛋白激素受体基因可能由原始的可编码富含亮氨酸的重复序列的G-蛋白偶联受体基因演变而来，原始基因的复制以及内含子的缩合消失衍生出TSH、FSH、CG/LH等糖蛋白激素的受体编码基因。
TSHR基因启动子具有管家基因启动子的特征，富含CG序列而缺少TATA框，含有甲状腺激素受体（TR）-α1/类视黄醇-X受体（Retinoid-X Receptor, RXR）异二聚体的结合位点，还含有GA结合蛋白（GABP）、cAMP反应元件（CREB）及转录因子TTF1的结合位点，因此可以在多个位点启动转录。已证实，TSHR基因启动子活性并不是甲状腺细胞特异的。低表达转录因子TTF1的小鼠模型中，TSHR基因活性下降；此外，TSHR基因启动区域甲基化修饰可能参与甲状腺细胞的TSHR基因表达调节。
TSHR基因主要在甲状腺细胞表达，在脂肪等其他外周组织中也有表达。利用氯霉素乙酰转移酶报告系统构建的TSHR重组基因转染FRTL5细胞系后可稳定表达，而Hela细胞或大鼠肝细胞等非甲状腺细胞则不表达。TSHR mRNA可在豚鼠脂肪组织和小鼠脂肪细胞、下丘脑内侧基底部室管膜细胞中检出，参与生殖功能的调节。TSHR还存在于淋巴细胞、眶周组织、软骨及骨组织，具体生理功能尚不清楚。TSH在甲状腺细胞的表达水平很高，TSH可增强其表达，碘降低其表达水平。
1．功能获得性突变（Gain of Function Mutations）：激素受体的功能获得性突变有3个层面的意义：无配体激活、对配体的敏感性增加，受体的特异性结合范畴拓宽。对于TSHR, “无配体激活”形式的功能获得性突变将导致“靶器官自治”；受体敏感性增加将导致配体浓度相应降低；第3种情况下，并不被负反馈抑制的混杂的受体激动剂将导致靶腺器官的过度激活。无配体激活的功能获得性突变发生在单个体细胞并不会表现出临床症状；突变受体的自主活性可能使突变克隆增殖；如果突变受体所控制的级联反应与机体功能有关，将最终导致肿瘤形成、进展或器官功能亢进。如果突变发生在生殖细胞，表达突变基因的所有组织细胞将发生“自治”。
基于对甲状腺生理功能的认知，我们不难推测cAMP依赖的调节途径发生功能获得性突变的表现型。甲状腺异位表达腺苷酸A2a受体的转基因小鼠表现为严重的甲状腺功能亢进伴甲状腺增生。因为A2a腺苷酸受体与Gs（Gsp）偶联将导致持续的腺苷酸活化，这个动物模型很好地模仿了生殖细胞中发生的TSHR功能获得性突变。McCune-Albright综合征患者的Gs发生突变也会导致腺苷酸环化酶的持续激活，这些患者TSHR突变的甲状腺细胞会进展为甲状腺高功能腺瘤，是体细胞TSHR功能获得性突变的原型 [40] 。
2．功能缺失性突变（Loss of Function Mutations）:TSHR基因失功能性突变将导致“TSH抵抗综合征”，表现型类似于TSH本身发生突变的患者。天然存在的hyt/hyt小鼠或实验性TSH受体突变品系是TSH抵抗综合征较好的动物模型。与人类不同的是，TSHR基因敲除小鼠出生时的甲状腺大小是正常的，纯合子动物表现为长期严重的甲减，甲状腺不表达钠-碘同向转运体（NIS），但未碘化的甲状腺球蛋白呈高水平表达。据此设想，TSHR两个等位基因突变的患者甲状腺功能减退的程度与失功能突变的程度一致，表现为轻度甲减或可代偿的甲减，更甚者表现为先天性摄碘功能障碍；杂合性突变基因携带者表现型正常或伴有血清TSH水平的轻微升高。
3．基因单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNP）：已经有很多影响TSH受体基因编码序列的单核苷酸多态性（SNP）被发现，起初有研究提示，天冬氨酸36组氨酸，脯氨酸52苏氨酸，天冬氨酸727谷氨酸可能与自身免疫性甲状腺病的易感性相关，而现在的观点是它们作为中性等位基因并不发挥致病性作用。大样本人群队列的全基因组研究显示，TSH受体基因位点处的非编码SNP与Graves病之间存在相关关系，这种相关性的遗传基础并不明确 [41] 。另一方面，全基因组关联研究的大型Meta分析并未发现TSHR基因对血清TSH水平有影响 [42] 。601位氨基酸残基的多态性要特别强调，两个原始的TSHR分子克隆中此处的氨基酸残基分别是酪氨酸和组氨酸。将这两个特征性的等位基因转染到COS细胞中，它们显现出了有趣的功能差异，酪氨酸601等位基因很快可检测到其生物活性，而组氨酸601是完全沉默不表达的；酪氨酸601等位基因可接受TSH的刺激并同时活化腺苷酸环化酶途径和磷脂酶C途径，而组氨酸601只活化cAMP途径。在人群中最常见的等位基因型是酪氨酸601，酪氨酸601天冬酰胺突变可见于毒性甲状腺腺瘤。
1．细胞外结构域识别TSH:FSHR-FSH复合物的三维结构为研究TSH及TSHR相互作用提供了模型。已证实，糖蛋白激素受体的胞外结构域属于富含亮氨酸的重复序列（Leucine Rich Repeats, LRR）蛋白，受体的凹面是由10个LRR片段形成的松散的β片状结构；β片状结构的N-端部分（LRR1-7）几乎是平坦的，而C-端部分（LRR7-10）的肽链形成马蹄形弯曲。TSHR细胞外结构域与TSH或TSHR抗体（TRAb）形成的复合物的三维结构与FSHR-FSH复合物很相近；铰链区含有结构未知的半胱氨酸簇集序列决定受体激活或抑制；含有硫化酪氨酸的位点可能介导激素的结合。利用定点突变技术将TSHR受体中LRR序列中的8个氨基酸残基用LH/CG受体中相应的序列进行替换，随后进行的受体结合活性测定显示，突变后的TSHR可与CG结合，也能与野生型LH/CG受体结合；突变受体获得CG敏感性的同时保留了对TSH的敏感性。需要再进行12个氨基酸的替换才能使定点突变后的受体在功能上转化为LH/CG受体。从进化的角度上讲，同源序列中特定位点的氨基酸突变经过自然选择的过程进化为特异性激素受体。通过对野生型TSHR或上述定点突变受体的表面静电分布的观察发现，LH/CG受体在其马蹄形弯曲的中部存在一个酸性的沟壑样结构，一直延伸到β片状结构的羧基末端。给定点突变的TSH/CG双向受体施加同样分布模式的电荷后进行对比，结果证实这种电荷分布模式对CG识别至关重要。
激素及其相应受体除结构上的特异性结合外，非结构特异性的离子间相互作用在激素和相应受体的结合过程中也发挥重要作用，包括糖蛋白激素受体细胞外结构域的酪氨酸残基的硫酸化修饰。TSHR分子中，位于细胞外结构域和跨膜螺旋结构域交界处的酪氨酸-天冬氨酸-酪氨酸保守基序中的两个酪氨酸残基都被硫酸化修饰，虽然第一个酪氨酸残基上的硫酸化修饰对分子功能的影响更大；这种翻译后修饰很大程度地影响TSH与TSHR的亲和力 [43] 。
2．TSHR胞外结构域和跨膜螺旋结构域相互作用：基于TSH胞外结构域和跨膜螺旋结构域在结构上是分离的，TSH与胞外结构域结合后产生的激活信号如何传递到跨膜螺旋结构域以激活偶联的G-蛋白是TSH生物学功能得以发挥的关键问题。氨基末端删除实验证实，胞外结构域对跨膜螺旋发挥负性调控作用，删除受体胞外段导致Gαs信号途径增强；这提示，TSHR的胞外结构域是跨膜螺旋结构域的反向激动剂 [44] 。相比于TSH高亲和力结合的野生型TSHR，胞外结构域氨基末端删减的TSHR的生物学活性大大增加；其中，糖蛋白激素受体胞外结构域高度保守的氨基酸基序（YPSHCCAF）单个位点突变（Ser281）就可导致受体强烈激活。这个保守的氨基酸序列位于“铰链”区，在3个糖蛋白激素受体的激活中发挥重要作用；Ser281位氨基酸置换相当于结构上的完整性破坏，由此看来，TSHR胞外区的结构破坏性越大，受体激活效应越强。
无TSH刺激条件下，Ser281突变导致跨膜螺旋激活的事实说明，跨膜螺旋的激活是继发于胞外结构域的激活，而不需要TSH分子与跨膜螺旋的直接作用。有以下几点支持这个假设：①细胞外环状结构可强力激活整个受体分子的突变并不能使胞外结构域缺乏的分子构象激活，而跨膜螺旋或细胞内环状结构的类似突变可以使胞外结构域缺乏的分子构象激活。②针对胞外铰链区抗原表位的单克隆抗体表现出对跨膜螺旋结构域的反向激动效应。③与TSH在结构上具有同源性的其他分子也可以激活TSHR，机制在于这些分子可与TSHR胞外结构域结合并使之转化为跨膜螺旋结构域的激动因素，而不需要分子与跨膜螺旋间直接的特异性识别。
3．TSHR跨膜螺旋结构域的激活：GPCRs三维结构的明确，为我们探索TSHR跨膜螺旋结构域的激活机制提供了模型，然而糖蛋白激素受体结构上的变异提示仍有激素特异的激活机制存在。TSHR与视紫红质G-蛋白偶联受体同属于G-蛋白偶联受体家族的成员，两者跨膜螺旋结构域的激活机制有类似之处。近20年内，有很多天然或人为的突变被发现与GPCR的活化有关，但直到最近几年，基于结构变化的激活机制才得以明确。β2肾上腺素受体突变导致的激活提示，野生型受体中在3次跨膜螺旋和6次跨膜螺旋之间的结构锁使受体处于静息状态，结构突变使跨膜螺旋间的结构锁释放从而导致受体激活。低pH条件下的视蛋白（是一种持续激活的视紫红质突变结构）以及β2肾上腺素受体的活化结构，都是在“配体结合口袋”空间构象上发生了细微的变化，具体机制在于第6个跨膜螺旋的大幅度移动，继而导致3～6次跨膜螺旋之间的离子锁破坏，最终使跨膜螺旋3、5、6胞浆侧的分子间相互作用空腔结构开放和G-蛋白激活 [45] 。体细胞或生殖细胞TSHR跨膜螺旋结构域功能获得性突变可见于甲状腺高功能腺瘤和遗传性非自身免疫性甲状腺功能亢进，TSHR分子构象改变导致其持续激活；6次跨膜蛋白基底部的Asp619位点突变可使离子锁破坏，是在毒性甲状腺腺瘤中明确的第一个激活型突变。
综上所述，以上研究结果促进了TSHR激活机制模型的完善，静息状态，胞外结构域抑制跨膜螺旋结构域的活性；当胞外结构域被TSH结合，或发生Ser281突变时，包含铰链区在内的结构组件从反向激动剂转化为跨膜螺旋结构域的完全激动剂，TSHR跨膜螺旋结构域离子锁等结构构象变化导致TSHR激活，从而启动细胞内一系列信号级联反应使TSH的生物学功能得以发挥。
1．绒毛膜促性腺激素（Chorionic Gonadotropin, CG）:TSH与CG以及它们的受体在结构上的相似性是CG交叉激活TSHR的基础。妊娠早期血清CG达到最高水平，CG分子可与TSHR结合并使其激活。大多数妊娠妇女的血清TSH与CG水平存在反比关系，充分反映了CG对甲状腺的刺激作用。虽然多数妊娠妇女的甲状腺功能是正常的，当CG分泌过量时可能诱发甲状腺毒症。
2．TSHR自身抗体：TSH受体抗体（TRAb）包括两类：一类是甲状腺刺激性抗体（TSAb），另一类是甲状腺刺激阻断抗体（TSBAb）。TSAb存在于Graves病患者的血清中，刺激甲状腺发生甲亢；TSBAb存在于自身免疫甲状腺炎甲减患者，可以与TSHR结合，阻断TSH的作用，发生甲减。利用人和哺乳动物具有TRAb活性的单克隆抗体进行的结合位点定位分析使TRAb的识别表位得以确定，但TRAb激活TSHR的精确机制并不明确。虽然TRAb确实与TSH竞争性结合TSHR，但激素分子与自身抗体作用的靶标是有差异的；硫酸化的酪氨酸残基在TSH与TSHR的结合中发挥重要作用，而TRAb结合TSHR的过程并无硫酸化修饰的参与 [43] 。TRAb也促进细胞内cAMP的增加，但相比于TSH对TSHR的刺激，TSAb介导的反应速率很低。
3．小分子药物：高通量筛选技术发现了很多小分子药物可通过与TSHR的跨膜螺旋结构域结合而激活TSHR [46] 。给予小鼠口服小分子激动剂可使血清甲状腺素水平升高、甲状腺摄碘率升高。目前的研究热点除探索这些小分子药物激活TSHR的机制外，还注重重组分子在临床上的应用探索。
TSHR与活化型G-蛋白（GS）偶联，GS激活腺苷酸环化酶生成cAMP和Gq/11, cAMP和Gq/11激活PKC, PKC催化1,4,5-三磷酸肌醇的产生从而介导TSH的生物学效应。然而，持续的TSH刺激将会下调胞内cAMP水平，使TSHR介导的生物学效应终止，这种由配体持续作用导致的受体失活现象被称为“受体脱敏”（Desensitization）。TSHR脱敏现象是甲状腺细胞特异的，在其他组织细胞中表达的TSHR可与TSH结合并发挥有效功能，但并不会发生脱敏现象，就此推测TSHR的脱敏是由甲状腺细胞特有的脱敏蛋白介导的。
G-蛋白偶联受体激酶或蛋白激酶A介导的特定氨基酸残基的磷酸化是某些G-蛋白偶联受体脱敏的主要机制。相比于其他G-蛋白偶联受体，TSH受体细胞内环状结构和羧基端结构域含有的可被磷酸化修饰的丝氨酸/苏氨酸残基较少；TSH的持续作用使TSHR快速脱敏，可能有微弱的磷酸化作用的参与。TSHR mRNA和蛋白分子的代谢周期很长而脱敏化过程非常微弱。给予小鼠慢性刺激性单克隆抗体输注可导致明显的甲亢，但并没有TSHR脱敏的征象。运用转染了cAMP感应器的小鼠甲状腺细胞发现，细胞内转染过表达的TSHR与TSH结合后可发生内化并定位于细胞内涵体中，TSH刺激后发生内化的TSHR仍对Gαs有激活作用 [47] 。这可能充分解释了TSH分泌性垂体瘤伴发Graves病甲状腺毒症的机制。
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