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甲状腺球蛋白（Thyroglobulin, Tg）是甲状腺最重要、含量最丰富的蛋白质，Tg作为大分子量含碘糖蛋白，由两条相同的多肽链组成二聚体，分子量达660000。甲状腺激素是在Tg上合成的，因而Tg可视为甲状腺激素合成的载体，甲状腺激素生物合成的过程就是Tg被化学修饰的过程。
甲状腺球蛋白基因位于人类染色体8q24.2-8q24.3，全长约270kb，含有48个外显子。Tg的启动子区域和TPO的启动子在结构上非常相似，Tg基因的启动子的上游含有A、B、C、K等调节位点，一些特定的转录因子可以与这些位点结合而调节Tg的转录；Tg可以被转录因子TTF1/NKX2-1、TTF2/FOXE1、PAX8调控。人的Tg mRNA包括一个41个核苷酸的5 ′ 非翻译区域、8307个碱基构成的开放阅读框和一个101～120bp的3 ′ 非翻译区域 [55] （图7-5）。
图7-5 Tg基因的染色体位置和Tg蛋白二级结构示意图
基因的5 ′ 和3 ′ 非翻译区显示为红色，编码区为蓝色；在蛋白质的二级结构中，Tg蛋白被分为含有重复元件的3个区域，羧基末端与乙酰胆碱酯酶具有较高的同源性。黄色和浅蓝色表示主要受体和供体酪氨酰基。
人Tg是大分子蛋白，其原始翻译产物含有2768个氨基酸残基，其中氨基端19个氨基酸残基为信号肽。成熟的Tg是一个660kDa的19s二聚体糖蛋白，Tg单体含有2749个氨基酸残基，其中酪氨酸残基为66个 [56] 。Tg基因包含许多单核苷酸多态性位点（SNPs），并产生许多选择性剪切的转录子。一些SNPs与自身免疫性甲状腺疾病相关。在Tg mRNA被翻译后，Tg单体转运到内质网中，在内质网中被折叠并发生二聚反应，随后二聚体被糖基化。成熟的Tg迁移至分泌小泡的顶端膜，最后分泌进入滤泡腔中 [57] 。
Tg分为两部分：N-末端和C-末端。这些区域是完全不同的，所以提示了Tg基因是由两种不同祖先基因的融合体。其N-末端的19个氨基酸残基是信号肽，指导多肽前体的翻译后修饰和释放到高尔基体中。Tg的N-末端（1～2170）呈有序的排列结构，分为3个区域（图7-6）。1型重复区域（Type 1）位于氨基酸1和1200之间，含有11个富含半胱氨酸共有序列（CWCV）的片段，这些片段可能结合或抑制半胱氨酸蛋白酶，并在Tg的加工和降解过程中起了重要作用 [58] 。2型重复区域（Type 2）是含有14～17个氨基酸残基3次重复区域，位于1437～1484之间，具有调节细胞黏附的作用。3型重复区域（Type 3）是含有两种亚型（A和B）氨基酸残基的5次重复区域，位于1584和2168之间。Tg单体的C-末端大约含有581个氨基酸残基，位于2192～2716之间，与乙酰胆碱酯酶（ACHE）有着显著的同源关系，称为ACHE同源区；该区对于Tg的成熟、二聚化和分泌有着重要作用 [59] 。
图7-6 TPO基因的染色体位置以及TPO蛋白二级结构示意图
基因的5 ′ 和3 ′ 非翻译区显示为红色，编码区为蓝色。酶的催化位点面向滤泡腔。TPO蛋白含有与补体调控蛋白（CCP）、表皮生长因子（EGF）具有高度同源性的区域。
糖链大约占Tg总分子量的10%。Tg单体含有20个潜在糖基化位点，其中约16个可以被糖基化 [60] 。糖基化是在糖基转移酶的作用下发生的，糖与Tg的连接发生在多肽链从内质网转移到高尔基体的过程中。Tg的糖链有4种主要类型，分别称为A、B、C、D型。A型含有多个甘露糖和两个N-乙酰葡萄糖胺；B型含有很多单糖，包括半乳糖、海藻糖、唾液酸和N-乙酰葡萄糖胺；C型含有O-连接糖，但是其氨基酸残基位点尚未知；D型含有硫酸软骨素蛋白多糖；A型和B型连接到Tg天冬酰胺残基，C型和D型连接到丝氨酸残基上。寡糖在甲状腺功能调节上起了重要的作用，主要包括调节碘化和激素的合成、与微粒体和膜受体的特异性结合、Tg的免疫活性、蛋白重叠和再循环。唾液酸并不参与激素的合成，但是它可以帮助Tg结合到跨膜转运体上，并影响其溶解性和免疫活性 [61] 。
硫酸化是一个晚期的翻译后修饰过程，发生在高尔基体中。Tg的硫酸化残基常出现在聚合糖中，特别是硫酸软骨素链，这个反应只发生在人的Tg。硫酸基的作用包括：调节分子构象和蛋白相互作用；参与激活和失活生物活性；占据了Tg的大部分负电荷。已有研究证实了TSH会下调Tg的硫酸化 [62] 。
Tg的磷酸化可能发生在高尔基体中，但是具体机制尚不清楚。研究发现Tg的50%磷酸化发生在糖链，30%发生在丝氨酸残基，其余20%在酪氨酸 [63] 。甘露糖残基的磷酸化可能会指导Tg从高尔基体转移到溶酶体。在FTRL-5细胞和犬甲状腺细胞的研究中发现，磷酸化作用可能对于Tg的碘化过程和依赖TSH的蛋白合成过程有着潜在的作用。
Tg的碘含量从0.1%至1%不等。Tg包含130～140个残基，其中只有25～40个可以被碘化，极少酪氨酸残基参加偶联反应。研究显示Tg有4个激素生成位点，分别称为A（第5位酪氨酸残基）、B（第2254位酪氨酸残基）、C（第2747位酪氨酸残基）、D（第1291位酪氨酸残基）和3个次要激素生成位点G（第2568位酪氨酸残基）、N（第685位酪氨酸残基）、F（第513位酪氨酸残基） [64] 。碘化在调节Tg的免疫中起了重要作用，研究显示当Tg中的碘含量减少时，Tg的单克隆抗体对其亲和力也随之下降。其他研究表明Tg的碘含量可能会改变其多肽结构和抗原特性，从而改变Tg的结构。此外，通过检测甲状腺癌的Tg和正常Tg的碘含量，发现甲状腺癌Tg的碘含量更少 [65] 。
目前已发现55种人Tg基因突变类型包括：2种错义突变、11种无义突变、12种剪接位点突变、5种单核苷酸缺失、1种大片段核苷酸缺失、2种单核苷酸插入。TG基因突变符合常染色体隐性遗传规律，因而患者均为纯合子突变或复合杂合突变。
Targovnik等报道了第一个TG基因突变g. IVS3-3C＞G。一名33岁的日本女性，其父母为一级堂表亲，患者身材矮小，智力年龄仅相当于13岁儿童，实验室检查显示Tg水平低下，甲状腺多结节性非对称性肿大。患者Tg基因第3内含子剪接受体-3位上C与G置换的纯合子突变，使第4外显子缺失，异常的Tg分子缺失了68个氨基酸残基，其中包括第130位的酪氨酸，使碘化酪氨酸偶联障碍，影响甲状腺激素合成，因而表现为甲状腺功能严重低下、智力及体格发育明显滞后 [66] 。
Type1重复序列区突变c.886C＞T（p.R277X）位于Type 1重复序列区，是目前报道最多的Tg基因突变类型 [67] 。其第886位上碱基C突变为T，使精氨酸密码子突变为终止密码子，截短的Tg分子仍含有第5位、第130位酪氨酸位点，但缺失了羧基末端的ACHE同源区。研究表明，如果在Tg分子的Type 2、Type 3重复序列前加一段信号肽，也能促进Tg的高效转运，而这种转运不依赖于ACHE同源区，提示含有p.R277X突变的截短Tg分子仍会从顶膜转运至滤泡腔，而且该截短的Tg分子仍含有第5位和第130位酪氨酸位点，可代偿合成部分甲状腺激素，并且这种代偿能力与碘摄入情况等其他因素相关，所以即使是相同的突变，不同个体其临床表现也不尽相同，p.R277X纯合子突变患者表现为轻度到重度甲减。2008年，Kim等报道鼠Tg第175位半胱氨酸密码子突变成终止密码子后，仍可分泌截短的Tg分子，这与含有p.R277X突变的人Tg分子类似，进一步提示即使ACHE同源区完全缺失，Tg仍能通过其他的分泌途径转运至滤泡腔。
半胱氨酸在维持Tg的三级结构中发挥重要作用，其缺失影响链内二硫键的形成，改变Tg正常构型，影响激素合成位点（碘化酪氨酸位点）间的相互作用，致甲状腺激素合成障碍。研究表明，p.R1511X纯合子突变患者的甲状腺组织内蓄积了大量第22外显子缺失的Tg mRNA，提示p.R1511X无义突变可介导选择性剪接，使Tg转录片段跳过含有突变的第22外显子，从而将突变位点移除，使翻译正常进行。产生的突变Tg分子虽然含有大部分的重复序列和ACHE同源区，仅缺失第22外显子，但第22外显子含有5个半胱氨酸残基，对维持Tg的三级结构有重要意义，该外显子缺失，可影响碘化酪氨酸位点间的相互作用，使甲状腺激素合成障碍从而导致甲减 [68] 。