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甲状腺对碘的摄取是其合成甲状腺素的第一个限速步骤。过去认为，甲状腺滤泡细胞膜上存在碘泵，它对碘的主动运输使得甲状腺内的碘含量为血浆的20～40倍 [1] 。甲状腺细胞对于碘的转运分两步，即先从间质经基底膜逆电化学梯度进入胞内，再从细胞顶端顺电化学梯度被动溢入滤泡腔。由于碘摄取依赖于由Na + -K + -ATP酶产生的钠离子梯度，现在知道细胞外碘进入甲状腺是由基底膜上钠-碘同向转运体（Sodium-Iodide Symporter, NIS）所介导 [2-3] 。NIS及其基因的确认，使人们对于多种甲状腺疾病的发病机制有了突破性的认识。
早在1896年，人们就已经认识到了甲状腺细胞具有主动摄取碘化物的能力。Dai G等 [4] 于1996年首次发表了大鼠钠-碘同向转运体基因的克隆结果。在此基础上，Smanik PA等 [5] 从NIS基因的核苷酸序列获得引物，以人滤泡性甲状腺细胞的RNA为模板，通过聚合酶链反应（PCR）法获取了人钠-碘同向转运体的cDNA片段。人类的NIS基因位于第19条染色体短臂p13区，含有15个外显子，被14个内含子分隔，有一个1929个核苷酸序列的开放阅读框 [6] 。NIS属于溶质转运体家族（SLC5A），依赖Na + -K + -ATP酶产生的钠离子电化学梯度作为驱动进行溶质转运。其编码蛋白NIS是含有643个氨基酸的糖蛋白，含13个跨膜片段，N-端位于胞外，C-端位于胞内（图7-2）。成熟的人NIS是一个105kDa的糖蛋白。部分或完全去糖基化不会破坏NIS的活性、稳定性和膜靶向性。NIS主要存在于甲状腺组织，除此以外，人类的其他组织也发现了它的存在，例如唾液腺、胃黏膜、乳腺、脉络膜网状组织等 [7] 。
图7-2 NIS基因和蛋白的结构示意图
NIS基因的染色体位置和蛋白的二级结构模型；基因的5 ′ 和3 ′ 非翻译区显示为红色，编码区为蓝色。蛋白的二级结构中，绿色为糖基化位点。
NIS的主要功能是将血碘主动转运入甲状腺细胞，NIS对碘的摄取是甲状腺激素合成过程中第一个和主要的限速步骤，这个过程发生在甲状腺滤泡细胞的基底外侧膜（图7-3）。NIS转运碘是与Na + 转运相偶联的，需要Na + -K + -ATP酶提供能量。借助于Na + -K + 交换产生的细胞内外Na + 梯度，碘可与Na + 偶联转运进入甲状腺细胞。在Na + 存在条件下，一些阴离子也可以被NIS转运，且I - ≥ SeCN - ＞SCN - ＞ClO 4 - ＞NO 3 - ，这些阴离子均表现为单价，但在分子构型上却没有一致性。在阳离子的选择上，NIS特异性依赖Na + ，但也不是绝对的，Li + 也可以驱动NIS的转I - 功能，但其强度只有Na + 的10%～26%。Na + 与阴离子是以2 ∶ 1的比率同时进行转运的。在没有底物存在情况下，NIS可单独转运Na + ，其内向电流强度是底物存在时的35%以下 [8] 。在这种动力学的基础上，相关研究认为钠离子要先于碘化物绑定到NIS上，随后所有离子同时进行转运 [9] 。
图7-3 I-在相应的电化学梯度下从细胞外转移至滤泡腔的过程
过氯酸盐释放实验可以用来评价甲状腺内的碘有机化，过氯酸盐释放实验的原理是，如果碘有机化过程被丙硫氧嘧啶（PTU）所阻断，高氯酸盐和硫氰酸盐会导致细胞内碘化物跨过基底外侧膜快速释放。高氯酸盐和硫氰酸盐可以通过竞争性抑制NIS来抑制碘化物的摄取。尽管高氯酸盐可以强有力地抑制碘化物的摄取，但是与硫氰酸盐相反的是，高氯酸盐不会引起内向电流。NIS是否可以转运高氯酸盐也尚存争议。近年来许多细胞和动物实验证实了NIS是能够转运高氯酸盐的 [10] 。动力学上分析一个与高氯酸盐结构上相似的原子——高铼酸盐，发现NIS介导高铼酸盐的转运是电中性的，从而提示NIS介导的钠/高氯酸盐转运也是电中性的 [11] ，离子色谱串联质谱分析的方法也可以证实以上结果。
NIS功能的实现依赖于Na + -K + -ATP酶产生的电化学梯度，在基底外侧膜需要持续激活的钾离子通道（由KCNQ1、KCNE2组成）来促进钾离子的流动。如果靶向破坏KCNE2亚单位会导致甲减合并侏儒症、秃头症、甲状腺肿和心脏病变 [12] 。同样基因敲除KCNQ1的小鼠也出现了甲减 [13] 。
NIS基因主要表达于甲状腺组织，但NIS在不同功能及病理状态下的甲状腺组织中表达存在明显的差异。NIS在正常甲状腺组织中的表达局限于部分滤泡细胞。与NIS的功能相适应，NIS表达于靠近毛细血管的甲状腺细胞 [14] 。两种因素即上调因素和下调因素调节着NIS基因的表达，其中上调NIS表达的因素主要是TSH，下调因素主要包括甲状腺球蛋白（Tg），细胞因子白介素IL-1α、IFN-γ、TNF-α、高碘、胰岛素、地塞米松、高氯酸等，其中Tg是主要的下调因素。
TSH通过环腺苷酸（cAMP）信号传导途径上调NIS基因的表达并促进碘在甲状腺内的聚集，即TSH与甲状腺细胞表面的受体结合后，会引起CAMP通路的级联反应，最终使甲状腺特异性转录因子TTF1、TTF2和PAX8磷酸化，磷酸化的TTF1、TTF2和PAX8基因表达增加，转录调节活性提高 [15] 。NIS的转录活性增加后会促进碘化物摄取。体内和体外实验也证实了TSH都会上调NIS mRNA和蛋白的表达 [16] 。
TSH也负责调控蛋白质周转；如果将TSH加入到FRTL-5细胞的培养液中，NIS半衰期是5d，然而未加入TSH的FRTL-5细胞，NIS半衰期减少为3d [17] 。Kogai等 [15] 将TSH加入到FRTL-5细胞的培养液中，12h后，I - 的摄取明显增加，并呈现TSH浓度依赖性。用大鼠NIS的cDNA作探针进行RNA印迹分析，NIS mRNA水平也随着I - 摄取的增加而升高；他们用毛喉素（cAMP酶抑制剂）替代TSH进行实验，也得到了同样的结果。但是，在没有加入TSH之前，FRTL-5细胞膜就已经有一定量的NIS蛋白的存在，大约相当于加入TSH以后NIS表达最大量的1/3。而相对于这些已经存在的NIS蛋白而言，碘的摄取在静止状态的FRTL-5细胞中则少得多。这里可能存在某种因素在碘摄取过程中起关键作用，这些因素很可能是受TSH调节的。而TSH使NIS表达量增加只是促进碘摄取增加的一方面。另外，TSH对NIS转录后修复水平调控，可以决定NIS在基底质膜和侧质膜上的正确定位，这对于NIS的活性尤为重要 [18] 。
除了TSH的调节，碘的聚集和有机化也直接通过碘进行自身调节。一项研究报道，在给患甲减的犬服用碘剂2d后，甲状腺组织出现了NIS mRNA表达下降，而Tg和TSH受体mRNA表达无变化 [19] 。Eng等 [20] 给大鼠一次性喂入大量碘造成了急性高碘状态，同时另一组大鼠给予连续少量碘摄入造成慢性高碘状态，观察在这种两种状态下NIS mRNA和蛋白水平均有下降，认为可能与碘诱导的甲状腺功能减退有关，推测高碘对于NIS基因表达的抑制作用可能部分是在转录水平上实现的。高剂量的碘通过抑制碘有机化过程来阻断甲状腺激素合成的现象称为Wolff-Chaikoff效应，这种短暂的阻断现象取决于细胞内碘的浓度。
甲状腺球蛋白（Tg）是NIS表达的主要下调因素，Suzuki等进行体内与体外实验证明了生理浓度的Tg可抑制TSH诱导的NIS启动子的活性，从而降低NIS mRNA和蛋白质的表达及细胞的摄碘能力 [21] 。KohnL等研究FRTL-5细胞时发现，Tg是NIS mRNA的潜在抑制剂，与TSH促进Tg、TPO、TSHR基因的作用正好相反。Tg对NIS基因表达的抑制作用可作为一种负反馈机制，与TSH介导的NIS基因表达增强作用之间形成一种相互制约的关系，以维持内环境的相对稳定。
80%～90%的先天性甲减是由于甲状腺发育不全引起的，而甲状腺部位和大小正常的甲状腺功能减退则是由于甲状腺激素合成中各种调节因素异常或酶存在缺陷 [22] 。在甲状腺激素合成障碍的患者中，有一部分存在碘转运障碍，这类患者表现出唾液/血浆碘比率下降，若不予治疗，将导致新生儿发育障碍，最终导致呆小症；出生时甲状腺可能大小正常，但是它很快会变大，所以需要早期给予T 4 治疗。NIS突变造成的碘转运障碍是导致先天性甲减的主要原因之一。
在NIS被成功克隆后，发现有11个引起先天甲减的明确突变位点：G93R、Q267E、C272X、T354P、515X、Y531X、G543E、G395R、V59E、143-323和439-443缺失。但分子机制研究较为清楚的仅有4种突变：T354P、G395R、V59E和G543E，其中T354P研究得最广泛。一些突变通过取代功能性氨基酸残基来降低NIS的功能，研究发现，位于NIS蛋白第354位点含羟基的苏氨酸（Thr）是NIS功能氨基酸，该位点Thr被脯氨酸（Pro）替代造成碘转运障碍 [23] 。还有的突变则导致NIS在细胞内的错误折叠和定位错误。Pohlenz等 [24] 应用NIS多克隆抗体研究后发现，Q267E突变会导致NIS不能正确定位在基底质膜及侧膜上。其他学者的研究发现Q267E突变引起碘摄取降低，不是通过NIS的定位改变，而是通过降低NIS对碘的催化率或转运活力而造成的 [25] 。G543E突变会导致NIS位点的成熟障碍及定位错误。
1．NIS与甲状腺癌：在我国，甲状腺癌是一种常见的头颈部恶性肿瘤，且其发病率仍以每年20.1%的速度急剧增加，引起社会的广泛关注。甲状腺癌的治疗方式主要包括手术、放射性碘治疗、TSH抑制治疗等，但仍然具有较高的复发率。
甲状腺滤泡细胞碘摄入功能主要依赖于NIS，因此NIS成为甲状腺及相关肿瘤放射性碘治疗的基础 [4] 。尽管甲状腺癌的摄碘率相对减少，但原发灶及其转移灶仍可以摄入治疗剂量的放射性碘。而问题的关键在于，甲状腺癌摄碘率降低究竟是因为NIS表达下降，还是NIS向细胞膜表面锚定功能缺陷。NIS具有相对较长的半衰期，经历了复杂的转录、转录后修饰以及转录后调节过程。因此，仅通过检测NIS转录水平，并不能真实反映其是否表达，以及是否正确锚定细胞膜。有学者利用免疫印迹证实癌组织中NIS的表达，但是不能确定其在亚细胞结构中的定位。而后Saito等通过免疫组化技术，观察到NIS蛋白在乳头状和滤泡型甲状腺癌中均存在过表达现象 [10] 。
还有研究指出，在大多数样本中，NIS主要定位于细胞内区域 [11] 。这意味着大多数甲状腺癌组织摄碘能力的下降，不是因为NIS表达减少，而是因为NIS锚定细胞膜过程存在障碍。更进一步，考虑到已有研究证实甲状腺癌组织中NIS存在过表达现象，因此可以推论，癌组织中NIS活性的下降不仅仅是NIS的表达障碍。Wapnir等发现，75%良性甲状腺肿瘤以及73%甲状腺癌组织中表达NIS [12] 。进而，Tonacchera等证实，54%非功能性的良性甲状腺结节存在hNIS过表达现象，并通常定位于细胞内 [13] 。而Liu等在77例甲状腺癌中观察到，83%乳头状甲状腺癌以及67%滤泡型甲状腺癌中存在细胞内NIS过表达现象 [14] 。总之，目前的研究提示，与甲状腺癌摄碘能力下降不平行的是，其NIS出现过表达现象，但过表达的NIS通常位于细胞内，提示其锚定细胞膜的功能可能存在障碍。
NIS在甲状腺癌组织中的表达异常可能与BRAFT1799A（V600E）突变有关。BRAFT1799A（V600E）诱导NIS启动子甲基化是分化型甲状腺癌NIS表达下调的主要机制。因此，通过沉默BRAF基因并补充TSH，可以上调甲状腺癌细胞的碘摄入水平。
2．碘脱逸：放射性碘元素必须在甲状腺癌细胞内存在足够长的时间，才能达到治疗目的。目前主要通过NIS介导的碘摄入、碘有机化以及碘脱逸来评价碘在甲状腺细胞内的停留状态。当下研究主要集中于寻找甲状腺上皮细胞顶端碘脱逸介质。有学者报道了两个可能介导碘脱逸的蛋白，分别是Pendrin和顶端碘转运体（Apical I - Transporter, AIT）。
Pendrin表达于甲状腺上皮细胞顶膜，已被证实参与转运I - 、Cl - 、HCOO - 以及NO 2 - 。Pendrin介导甲状腺上皮细胞顶端向胶质内转运碘。该功能异常可以引发Pendred综合征（PDS），而PDS综合征则主要表现为耳聋和伴有机化功能障碍的甲状腺肿 [15] 。
AIT是SLC5A8基因的产物，由610个氨基酸组成，与NIS具有高度的同源性。但是该蛋白介导的是Na + 依赖的一元羧酸转运体活性，而不是I - ，因此又称Na + /一元羧酸转运体（SMCT）。细胞实验证实，SMCT并不受TSH调控。同时，SLC5A8基因敲除鼠表现为乳酸血症，但并未发现甲状腺的改变，提示SMCT恐怕并参与介导碘脱逸。
3．NIS（SLCA5）基因突变引起的碘转运障碍（ITD）:ITD是一类罕见的常染色体隐性遗传疾病，表现为甲减、甲状腺结节、摄碘率下降以及唾液碘/血浆碘比值减少（正常＞20）。目前以及确认了13个与ITD相关的NIS变异区域 [16] ，包括V59E、G93R、R124H、Q267E、C272X、Δ287-288、T354P、G395R、移位515X、Y531X、G543E、Δ143-323以及Δ439-443等。上述突变涉及了无义突变、可变剪接突变、移码突变、缺失突变以及错义突变。对于这些突变的研究，促进了对NIS结构与功能的理解。
Dohan等发现，NIS在395位点上存在一个无电荷的氨基酸残基，同时连接了一个较小的侧链，这对于保障NIS功能至关重要。G395R突变导致395位点变为带电的氨基酸残基，或者连接了一个较长的侧链，那么在不影响NIS表面碘结合力的情况下，降低NIS在细胞膜上的转位。此外G543E突变可以导致NIS不能正确折叠，进而引起其不能正确锚定细胞膜。因此，目前认为G543位点可能在NIS成熟以及正确定位的过程中扮演重要角色。V59ENIS最初被认为仅有野生型NIS活性的30%，但是与患者NIS活性全面缺失的临床表型不一致。进一步的研究发现，V59ENIS没有生物学活性，虽然可以观察到其正确锚定浆膜。Reed-Tsur等证实，59位点存在一个中性的，且能构成螺旋结构的氨基酸，是确保NIS正常功能的必需条件。
4．甲状腺外组织的NIS：在脊椎动物的唾液腺、胃黏膜以及乳腺等组织中，都可以观察到显著的碘聚集现象。与甲状腺中的NIS相似，这些部位的碘转运系统对于SCN - 和ClO 4 - 的抑制都极其敏感。但是，也存在一些差异的表现：①除了乳腺以外，其他甲状腺外组织中的碘转运体通常不具有对I - 的有机化作用。②TSH不参与对甲状腺外组织中的碘转运体的调节。③唾液腺和胃黏膜中的SCN - 水平较甲状腺高。
唾液腺、胃黏膜以及乳腺组织中均被证实NIS cDNA的存在。同时，利用RT-PCR技术证实，其他一些组织中也存在hNIS基因的表达 [15,17-18] 。应该指出的是，RT-PCR技术虽然很敏感，但是存在较高的假阳性率。因此仅依靠RT-PCR结果，并不能确认NIS在这些组织中的功能性表达，因而需要更全面的研究以确认NIS在其他组织中的表达。但是，一旦能够证实NIS在某一特定组织中的表达，那么该组织可能被认为具有Na + 依赖性、ClO 4 - 敏感性以及聚I - 活性。Nicolas等观察到，NIS表达于小肠的顶膜，在其他组织中NIS通常表达于组织的基底膜，且其亲和力相对于甲状腺组织中的NIS而较为微弱。此外，高I - 可以抑制NIS的表达，而既往的动物实验证实，高I - 环境下小肠摄碘能力随着时间的增加而进行性降低 [19] 。这种高I - 环境下NIS的下调可能是机体的一种自身调节机制，以避免I - 过载对甲状腺以及其他能够转运I - 的组织造成有害的影响。
目前学界认为，正是因为小肠表达的NIS介导了I - 的吸收，使得随着唾液和胃液分泌的大量I - 并没有流失，而是伴随着新摄入的I - 一同在小肠被重吸收，完成了I - 的循环，避免了I - 的丢失。
5．乳腺癌的NIS：不同组织中NIS的表达受到不同的机制调节，以及转录后修饰。生理状态下，妊娠晚期和哺乳期的乳腺组织表达NIS，以介导I - 向乳汁中转运，为新生儿提供了足够的碘摄入量，确保其神经系统、骨骼肌、肺等多个器官组织的正常发育。而在其他时期，乳腺组织中并不能观察到NIS的表达。
学者首先在雌性小鼠的乳腺癌组织中证实NIS的表达 [20] 。进一步的研究发现，人类乳腺癌中，87%的侵入性乳腺癌以及83%的导管癌中均有NIS的表达，而毗邻原发灶的正常组织中，仅有23%表达了NIS [13] 。Moon等在乳腺癌患者中观察到原发乳腺肿瘤中存在NIS介导的过锝酸盐聚集现象，从而证实NIS的功能性表达。随后Wapnir等再次验证NIS在乳腺癌转移灶中也存在功能性表达 [21] 。值得注意的是，三阴性乳腺癌（雌激素受体、孕激素受体和HER-2均呈阴性）对化疗药物反应有限，但是有报道称65%的三阴性乳腺癌表达NIS。这些结果均认为，乳腺癌组织表达NIS，为利用 131 I治疗乳腺癌转移灶的理论基础。但是，由于功能性NIS低表达，仅20%～30%能接受放射性碘治疗。因此，有学者设想，可以通过刺激内源性NIS在乳腺癌中的表达，提高放射性碘治疗的适用性和有效性。
与甲状腺组织不同，乳腺组织中的NIS表达不依赖于TSH的调节，而仅在哺乳期受到催产素、催乳素和雌二醇的调节。催产素和催乳素能够以浓度依赖的方式，诱导NIS mRNA表达，因而通过催产素和催乳素对乳腺癌患者进行个体化治疗，具有理论上的可行性。此外，维甲酸A、胰岛素、胰岛素生长因子（IGF）也能够增加乳腺细胞NIS mRNA和蛋白的表达。其中维甲酸A被认为是最有效的NIS单体诱导剂。
肿瘤特异性免疫治疗在乳腺癌患者治疗中具有巨大潜能。NK细胞是一种介导细胞毒性作用，对肿瘤细胞和病毒感染细胞进行清除的淋巴细胞亚群，是先天免疫系统的关键组分。 131 I通过诱导肿瘤细胞凋亡的过程，还可以改变癌细胞表型，增强免疫治疗的敏感性。有报道称，被照射过的癌细胞会上调凋亡诱导相关配体受体FAS和肿瘤坏死因子。有研究认为，利用 131 I预处理乳腺癌细胞，能够提高NK细胞对乳腺癌细胞的细胞毒性作用，因此有望用于治疗无反应的乳腺癌转移病灶。
6．NIS转基因的作用：基于NIS的发射性碘治疗对于甲状腺癌疗效显著，而副作用相对轻微，因此有学者认为，可以将这一方案进一步扩展到其他肿瘤的治疗中。基于NIS的表达与否，可以将癌症分为表达内源性NIS的癌症和不表达NIS的癌症。对于前者（如甲状腺癌和乳腺癌），可以通过增加NIS的表达及其向细胞膜的锚定而提高 131 I的治疗效果。而对于后者，有学者设想可以通过转基因技术诱导NIS在癌组织的表达，从而使 131 I成为一种可能的治疗方法 [22] 。除此之外，NIS的表达还可以使对肿瘤的成像、检测成为可能。与其他基因相比，NIS既可以作为报告基因，也可以作为治疗基因。目前，已经在多种肿瘤细胞系中实现了NIS基因的转录，并检测到其功能性表达。进一步研究的难点在于如何靶向将NIS基因转移到肿瘤组织中。因此，学界期待还需要更多的研究，以促使该技术更为成熟。
曾有观点认为，由于甲状腺外组织中表达的NIS对I - 不具有有机化作用，使得同位素在靶细胞中不能停留足够长的时间，因此对 131 I治疗可能是无效的。但是，新近的多项研究均提示，即使在I - 未有机化的情况下，放射性碘治疗依然可以被证明是有效的。
此外，目前还有学者希望利用NIS转运其他同位素（如188ReO 4 - 等），以达到治疗目的。虽然相关研究较为丰富，但相比于放射性碘治疗，还缺乏更多的临床经验。
7．NIS作为报告基因：NIS介导核素治疗的同时，其本身也可以作为报告基因直接进行病灶显像，反映其在不同空间、不同时间上靶/非靶组织的表达情况，这对于治疗方案的制定、疗效的观察又具有重要意义。与传统的配体-受体按1∶1配对的机制不同的是，NIS具有转运活性，可以促进放射性碘元素标记的底物的聚集 [23] 。有学者利用甲胎蛋白启动子与增强子诱导NIS基因在肝癌细胞HepG2中的表达，可以显著提高HepG2细胞的摄碘能力，获得较好的显像效果，证实了利用甲胎蛋白启动子和增强子联合调控hNIS基因对肝癌进行靶向核素显像是可行的。
除了癌症领域，报告基因还可以用于干细胞、巨噬细胞监测、移植细胞定位等多个方向，同样值得我们关注和研究。