血小板线粒体功能研究进展

2021-12-08赵小霞

检验医学 2021年12期

赵小霞

（南开大学附属第四中心医院检验科，天津 300140）

血小板是血液中的无核细胞，在出血与止血、血栓形成、损伤反应和免疫调节等过程中发挥作用。本文对线粒体在血小板的产生和相关功能中的关键作用及其与疾病的关系进行综述。

1 血小板的发现及其作用

1865年，Schultze发现了血小板。1881年，Bizzozero阐明了血小板在止血和血栓形成中的作用。1890年，Howell首次观察到了骨髓巨核细胞。1906年，Wright发现血小板来源于巨核细胞，确立了血小板生成理论。血小板体积小（2～4 μm），存活时间短（7～10 d），无细胞核，健康成人每微升血液中的血小板数量为（15～45）万，且随年龄和健康状况而变化。血小板参与体内多个平衡过程，包括止血和血栓、伤口愈合、血管生成、免疫调节和炎症反应[1]。

2 无核细胞——血小板

细胞核提供的基因图谱可以翻译任何需要的蛋白质，但哺乳动物的血小板无细胞核，因此不携带基因组遗传物质。血小板体积小、易变形、高度敏感，易进入小血管，可快速、有效地分泌蛋白质，快速应激。每个血小板均携带大量的核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）生物信息，通过快速、有效的应答来发挥作用，止血可在数分钟内即发生应答。与禽类低效的凝血供能比较，无核的特性提高了人类血小板的工作效率。血小板没有核来源的RNA，其RNA可通过微泡从外部获取，也可通过微泡将RNA信号传递给其他细胞，进而在细胞之间传递信息[2]。血小板在凝血、免疫应答及各种疾病中的作用都与微泡小分子核糖核酸（micro ribonucleic acid ，miRNA）有关系。血小板可以由12-脂氧合酶和磷脂酶A2-Ⅱ A介导，将miRNA、转录因子、线粒体转运到中性粒细胞等细胞中[3]。因此，虽然血小板没有细胞核，但其能够与周围环境相互作用，并产生有效应答。

3 线粒体在血小板功能和存活中的作用

为了快速应答应激和血管损伤，需要高效的能量和代谢功能。不同于红细胞，血小板含有线粒体，线粒体与细胞核一样，具有DNA、双层细胞膜、细胞分裂周期等特点，在细胞周期中可以分裂。有研究发现，线粒体在能量产生和代谢中发挥着重要作用，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为“细胞的发电站”[4]。线粒体的三羧酸循环和氧化磷酸化过程都参与了三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的生成，且线粒体还参与了除能量产生以外的许多其他过程，如活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生、钙离子的动态平衡、凋亡调节和内质网应激反应。

健康的血小板一般包含5～8个线粒体，可以发挥代谢和活化血小板、产生ATP、调节细胞进程和活性等作用[5]。在多种疾病中，血小板受损严重会导致线粒体过早凋亡，因此保持血小板线粒体的健康至关重要。在各种有核细胞中，线粒体的更新周期为9～24 d。而无核细胞血小板的平均存活时间为7～10 d，可能是由线粒体的更新周期决定的；B淋巴细胞瘤-xL（B-cell lymphoma，Bcl-xL）可通过调节线粒体凋亡来决定血小板的存活时间[6]。有研究发现，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）可促进巨核细胞基因重排，进而增加线粒体的数量和活性，这有助于分析与年龄相关的血小板的高反应性和血栓的形成[7]。

4 血小板线粒体DNA和蛋白质

无核细胞的线粒体是其唯一的细胞器。人类线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）为双链、环形，大小为16 600 bp，mtDNA由37个基因组成，编码13种重要的氧化磷酸化酶复合体亚单位、2种核糖体RNA（ribosomal ribonucleic acid，rRNA）和22种转运RNA（transfer ribonucleic acid，tRNA）。mtDNA在线粒体中具有较多拷贝数，能够独立进行复制、转录、翻译。线粒体有多种mtDNA复制模式，这与核复制是完全不同的，所以mtDNA拷贝数可用于间接评估线粒体功能[8]。完整的mtDNA能够预防由mtDNA突变引起的线粒体肌病等线粒体相关疾病的发生[9]；有研究发现，血小板mtDNA甲基化可能与心血管疾病的病因有关[10]。线粒体有一系列蛋白质参与其作用，哺乳动物的线粒体包含约1 500种蛋白质。mtDNA参与编码呼吸链复合物组成的大多数蛋白质，大部分线粒体蛋白质是由核编码的，这些蛋白质在线粒体易位酶的辅助下，从细胞质进入线粒体。蛋白质被翻译后会进入线粒体，线粒体蛋白质在细胞质中被合成为前体蛋白质，然后再被转运到线粒体。每种蛋白质都有一个独特的导入信号，引导其锚定到线粒体膜上，线粒体外膜上的蛋白质转运体（translocator of outer mitochondrial membrane，TOM）负责将核编码的线粒体蛋白质穿过线粒体外膜，线粒体内膜上的蛋白质转运体（translocator of inner mitochondrial membrane，TIM）负责将其运送进线粒体基质，在此过程中，TIM 23发挥重要的作用。

5 线粒体和血小板的能量代谢

大多数的人类有核细胞含有数百甚至数千个线粒体，而无核细胞血小板一般仅有5～8个线粒体，但血小板在代谢方面很活跃，其代谢系统通过糖酵解和氧化磷酸化供能，糖酵解可提供60%～70%的细胞ATP，氧化磷酸化可提供另外30%～40%的能量。维持钙离子动态平衡需要稳定的ATP能量供应，故ATP对于血小板功能非常重要。活化的血小板也可以通过糖酵解来维持线粒体功能。血小板的这种利用糖酵解或脂肪酸分解代谢而不是氧化磷酸化的能力，能够使血小板适应不同情况，满足能量需求，从而在缺氧或存在线粒体抑制的情况下，仍可供能。当线粒体氧化磷酸化和糖酵解同时被抑制时，血小板聚集和其他代谢活动才会完全中断。

6 线粒体和血小板活化

血小板黏附到暴露的血管内皮下基质时会被激活，并启动凝血级联。有研究发现，线粒体通过通透性转换（mitochondrion permeability transition，MPT）、ROS生成增加和膜电位崩溃等在血小板活化中发挥作用[11]。血小板活化是由胶原、凝血酶和二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）等激动剂介导的，参与止血的调节，激动剂通过增加细胞内的钙含量活化血小板。线粒体几乎不会调节血小板中的钙含量，但线粒体内钙含量增加会促进磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）外翻，且不影响整合素的活化和颗粒释放。钙含量的增加也与线粒体ROS失衡和通透性转换孔激活有关[12]。线粒体和细胞质中的钙急剧增多会促进血小板活化，通过亲环蛋白D（cyclophilin D，CypD）依赖机制使线粒体膜电位崩溃。由线粒体钙介导的稳态失衡有助于进一步产生ROS和引发PS外翻，这些线粒体激活途径也加快了血小板的凋亡。

7 线粒体和血小板凋亡

有研究发现，正常和异常刺激均可以诱导或抑制细胞凋亡，血小板凋亡的形态学特征包括胞膜起泡、细胞皱缩、PS外翻、伪足生成[13]。细胞凋亡有外在和内在途径，前者通过激活细胞表面死亡受体活化，后者由Bcl-2家族的凋亡前体蛋白和抗凋亡蛋白与线粒体协调作用介导。血小板内有Bcl-2家族蛋白和血小板PS外翻等凋亡特征，提示血小板可能主要因激活内在的凋亡途径凋亡。Bcl-xL是血小板存活的关键调控蛋白，负责抑制Bcl-2相关K蛋白和Bcl-2相关X蛋白这2种可破坏线粒体的促凋亡蛋白。有研究发现，Bcl-xL或Bcl-2相关K蛋白、X蛋白受损后会影响血小板的生存时间；Bcl-2家族蛋白的过表达可延长循环中血小板的存活时间，但小鼠体内Bcl-2的缺失并没有影响血小板的生成或存活时间[14]。当血小板受到压力或即将死亡时，Bcl-2相关K蛋白、X蛋白被激活，从而启动线粒体途径，释放细胞色素c等线粒体成分，细胞质中细胞色素c的存在会触发细胞凋亡半胱氨酸蛋白（cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase）级联，该级联以引发剂caspase-9开始，以效应剂caspase-3和caspase-7结束，从而切割数百个细胞内成分，并破坏几个基本的细胞过程[15]。Bcl-2家族蛋白也参与了血小板的生成，抗凋亡家族成员B 淋巴细胞瘤因子2样蛋白2（B-cell lymphoma 2 like protein 2，BCL2L2）参与人脐带血中巨核细胞前血小板的形成[16]。

8 血小板线粒体在疾病中的作用

血小板表面的PS外翻可增强促凝血活性，因此凋亡的血小板诱发凝血的速度比正常血小板快50～100倍[17]。mtDNA复制过程中，多聚鸟苷酸（polyguanylic acid，PolyG）的保真度降低，mtDNA的突变率约为核DNA的100倍[18]。此外，mtDNA异质性的遗传是随机性的，有时子细胞中会留下相似但不完全相同的mtDNA副本。mtDNA异常和突变的风险增加，会阻碍ATP产生，并增强氧化应激。循环中的血小板mtDNA可提示某些疾病的发生[19]；线粒体功能也与年龄[20]和心血管疾病[21]、糖尿病（diabetes mellitus，DM）[22]、阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）和帕金森病（Parkinson′s disease，PD）[23]、脓毒症[24]等与年龄有关的疾病相关。

动脉粥样硬化和血栓形成所致的心血管疾病是DM患者死亡的主要原因。以急、慢性高血糖为特征的DM已被证实能促进血小板线粒体ROS的产生和活化；血小板也被认为是动脉粥样硬化病变发展的主要参与者，其与单核细胞共同促进形成了动脉粥样硬化的炎症环境；2型DM会引起血小板ATP产生变化，增加线粒体ATP含量和血小板活性，在持续氧化应激下，血小板凋亡，ATP减少[25-26]，且抗血小板和高血糖控制治疗可提高血小板的反应性[27]。保存血小板线粒体功能可能是另一种可以降低DM患者潜在致命血栓风险的方法[28]。

AD和PD都是严重的神经退行性疾病，与血小板线粒体功能障碍和血小板凋亡有关[23，29]。血小板膜上有大量的神经递质转运体，可将多巴胺、5-羟色胺等有效转运至血小板内，且可通过单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）-B参与到神经递质代谢当中，维持递质体内平衡。血小板在结构和功能上与神经元相似，并富含与神经元和大脑相关的关键蛋白[30]。除大脑外，血小板中淀粉样前体蛋白、突触核蛋白和tau蛋白含量最高，循环中这些关键蛋白的表达与神经退行性疾病相关。AD患者的线粒体电子传递链，特别是细胞色素c氧化酶的活性，以及复合物Ⅳ的氧化代谢均受到抑制，且血小板线粒体加速氧化应激可导致线粒体损伤和血小板凋亡[31]。在PD中，线粒体电子传递链复合物Ⅰ～Ⅳ、α-突触核蛋白、Parkin、DJ-1、PTEN诱导激酶1和富含亮氨酸重复序列激酶2基因有突变或缺陷[32]，其他相关的关键蛋白还包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸CoQ还原酶、辅酶Q10、线粒体电子传递链复合物Ⅰ和Ⅱ的电子受体以及神经递质降解酶MAO-B[33]。在AD和衰老的发病机制中，其氧化应激诱导的线粒体损伤和凋亡与PD一致，血小板MAO可作为AD和PD发病的外周血生物学指标。有研究发现，PD患者血小板中氧化保护蛋白蛋氨酸亚砜还原酶B2水平降低，导致血小板凋亡加剧[34]。神经退行性疾病的发生再次证明了血小板线粒体的重要性，遗传缺陷或环境压力可以导致细胞凋亡和血小板过早死亡。

活化的血小板可分泌多种细胞因子和信号分子，直接或间接参与机体的免疫调控过程[35]。在败血症中，血小板线粒体的生物能会发生改变，导致器官衰竭[36]。血小板减少与感染性休克患者的死亡率增加有关[37]。血小板活性线粒体可引起炎症反应[38]。

线粒体对血小板功能的重要性，以及线粒体功能障碍对糖尿病、PD和心血管疾病的影响的相关研究结果显示，靶向血小板线粒体可以作为辅助疗法。针对血小板线粒体代谢和凋亡的药物可能有助于预防病理性血栓形成和其他疾病[39]。线粒体的基因组学和蛋白质组学提供了多个潜在的靶点，然而选择性靶向血小板可能需要进一步与血小板靶向剂偶联。