Dissecting New Molecular Mechanisms in Thyroid Diseases Using Genetically Modified Mouse Models

Abstract

The thyroid gland secretes thyroid hormones (THs) under regulation of thyroid stimulation hormone (TSH) and its receptor (TSHR). THs play a pivotal role in development, growth and metabolism.

An increased secretion of THs causes hyperthyroidism, while a decrease leads to hypothyroidism. Together with thyroid tumors, these thyroid diseases affect more than 10 % of the population. Thus, better understanding of the molecular causes of thyroid diseases is crucial to improve treatment strategies.

In this study, we generated genetically modified mouse models to understand the details of thyroid pathophysiology. First, a thyroglobulin promoter-driven, tamoxifen-inducible Cre-mouse line (iTgCre) was created to enable thyroid-specific gene deletions in a time-dependent manner using the Cre/loxP system. Thereafter, this technique was applied to delete the microRNA-processing enzyme Dicer1. Knocking out Dicer1 during development and adulthood revealed that Dicer1, and subsequently miRNAs, are crucial for the maintenance of thyrocyte differentiation and growth. Perinatal miRNA deficiency leads to slowly progressing hypothyroidism, while the deletion of miRNAs in adult mice does not cause acute hypothyroidism.

Furthermore, to understand the development of hyperthyroidism, we generated a knock-in mouse model harboring a constitutively active TSHR mutation D633H. Interestingly, these TSHRD633H mice developed colloid goiter with euthyroidism, subclinical or overt hyperthyroidism depending on sex and age.

In conclusion, we generated new disease models to understand molecular mechanisms in thyroid development, hypo- and hyperthyroidism. These findings revealed a novel role of miRNAs in thyroid growth, development and hypothyroidism. Furthermore, we demonstrated that TSHRD633H mutation causes transient hyperthyroidism and colloid goiter in mice.

Kilpirauhassairauksien uusien molekyylimekanismien tutkiminen geenimuunnelluilla hiirimalleilla

Kilpirauhasen tuottamat hormonit ovat keskeisessä asemassa kehityksen, kasvun ja aineenvaihdunnan säätelyssä. Näiden hormonien erittymistä säädellään kilpirauhasta stimuloivan hormonin (TSH) ja sen reseptorin (TSHR) kautta. Kilpirauhashormonien ylituotanto johtaa kilpirauhasen liikatoimintaan (hypertyreoosi) ja alituotanto vajaatoimintaan (hypotyreoosi). Näiden kilpirauhassairauksien kilpirauhaskasvaimet mukaan lukien, esiintyvyys väestössä on yli 10 %. Tämän vuoksi kilpirauhassairauksien synnyn molekyylitason tutkimukset ovat ratkaisevan tärkeitä niiden ehkäisyn ja hoitomahdollisuuksien parantamiseksi.

Kilpirauhasen normaalin ja patofysiologisen toiminnan molekyylitason mekanismien tutkimiseksi loimme tässä tutkimuksessa geneettisesti muokattuja hiirimalleja. Työssä tuotettiin tyroglobuliinipromootterin ohjaamia ja tamoksifeenilla aktivoituvia Cre-hiirilinjoja. Kilpirauhasspesifistä Dicer1-puutteista hiirilinjaa käytettiin mikroRNA (miRNA) -signaloinnin tutkimisessa. Poistamalla Dicer1 eri kehityvaiheissa saatiin selvitettyä Dicer1:n ja sen seurauksena mikroRNA:iden merkitys kilpirauhasen solujen erilaistumiselle, toiminnalle ja kasvulle. Tulostemme mukaan mikroRNA:t eivät aiheuta akuuttia hypotyreoosia, jos mikroRNA signallointi poistetaan aikuiselta hiireltä, mutta niiden poisto varhaisessa kehitysvaiheessa johtaa hitaasti kehittyvään kilpirauhasen vajaatoimintaan.

Kilpirauhasen liikatoiminnan tutkimiseksi loimme knock-in -hiirimallin, joka ilmentää konstitutiivisesti aktivoivaa TSHR D633H mutaatiota. Kyseinen mutaatio on alunperin löydetty kilpirauhasen liikatoimintaa sairastavalta potilaalta ja vastaavat mutaatiot ovat tavallisin ei-autoimmuunin hypertyreoosin (NAH) syy. Näiden TSHRD633H hiirten kilpirauhanen on suurentunut molemmilla sukupuolilla hetero- ja homotsygoottisilla eläimillä. Yllättäen, toisin kuin ihmisellä, selvä hypertyreoosi kehittyy ainoastaan homotsygoottisille KI naaraille ja on ohimenevä.

Tässä tutkimuksessa luotujen hiirimallien avulla voidaan selvittää kilpirauhasen kehitykseen, vajaa- ja liikatoimintaan liittyviä molekyylitason mekanismeja. Havaintomme kilpirauhasen mikroRNA–signaloitiin littyen paljastivat uutta tietoa niiden merkityksestä kilpirauhasen kasvuun, kehitykseen ja toimintaan liittyen. Lisäksi TSHR:in aktivoivaa D633H mutaatiota ilmentävä hiirimallimme mahdollistaa ensimmäistä kertaa kilpirauhasen liihatoiminnan synnyn ja kehityksen yksityiskohtaisen selvttämisen.