논문) 2019) 혈소판 미토콘드리아의 역할: 핵이 없는 지대에서의 삶

[K김상수(인천)]

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6828734/

Role of Platelet Mitochondria: Life in a Nucleus-Free Zone

저널 목록 프론트 심혈관 메드 PMC6828734

프론트 카디오바스크 메드. 2019; 6:153.

2019년 10월 29일 온라인 게시. doi: 10.3389/fcvm.2019.00153

PMCID: PMC6828734

PMID: 31737646

혈소판 미토콘드리아의 역할: 핵이 없는 지대에서의 삶

Role of Platelet Mitochondria: Life in a Nucleus-Free Zone

Hannah Melchinger , Kanika Jain , Tarun Tyagi 및 John Hwa *

저자 정보 기사 노트 저작권 및 라이센스 정보 PMC 면책 조항

개요

혈소판은 풍부하고 작은 무핵 순환 세포로, 지혈을 넘어서 혈전증, 손상 반응 및 면역 조절에 있어서 중요한 역할을 포함하는 많은 새로운 병리생리학적 역할을 수행합니다

게놈 DNA 전사 조절이 없는 경우(핵 없음), 혈소판은

1. 스트레스(예: 고혈당증)를 감지하기 위해,

2. 스트레스(예: 미토파지)로부터 자신을 보호하기 위해, 그리고

3. 스트레스 반응을 다른 세포에 전달(예: 과립 및 미세입자 방출)하기 위해

필요한 모든 RNA와 거핵구의 소기관을 전략적으로 미리 포장해야 합니다.

핵이 있는 조류 혈소판과는 다르게 핵이 없으면 포유류 혈소판이

1. 작은 크기를 유지할 수 있고

2. 형태학적 유연성이 가능하며

3. 스트레스에 반응하여 단백질 발현 속도와 효율성이 향상될 수 있습니다.

핵이 없는 혈소판의 7~10일간의 수명은 주로 미토콘드리아에 의해 결정됩니다.

(거핵구로부터) 5~8개의 미토콘드리아를 포장하는 것은 호기성 호흡, 그리고 기능과 생존에 필요한 대사 기질을 생성하는 데 중요합니다.

여러 질병 과정에서 관찰되는 바와 같이 미토콘드리아 손상 또는 기능 장애는

1. 혈소판 생존을 크게 약화시키고

2. 혈전 혈관 사건의 위험을 증가시킵니다.

여기서 우리는 핵이 없음에도 불구하고 혈소판이 수행하는 새로운 역할과 건강과 질병 상태 모두에서 혈소판의 기능과 생존에 있어 미토콘드리아가 수행하는 핵심 역할에 대한 통찰력을 제공합니다.

키워드: 혈소판, 미토콘드리아, 유핵세포, 대사, 세포사멸

혈소판 발견 및 기원

혈소판은 작고(2~4μm) 수명이 짧은(7~10일) 무핵 순환 세포로 주로 출혈 예방과 지혈 유지를 담당합니다( 1 , 2 ).

건강한 성인의 혈액 1마이크로리터당 혈소판 수치는 150,000~450,000개이지만, 이 수치는 나이와 건강 상태에 따라 다릅니다( 3 ).

혈소판은 1865년 Schultze에 의해 처음 확인되었지만( 4 ), 지혈 및 혈전증에서의 혈소판 기능은 1881년 Bizzozero에 의해 밝혀졌습니다( 5 , 6 ).

1906년 Wright는 골수에 있는 거핵구(megakaryocytes, MK)를 혈소판의 공급원으로 확립했습니다( 7) .),

최근 연구에 따르면 폐의 성숙한 거핵구가 혈소판을 폐 혈관계로 방출할 수도 있는 것으로 나타났습니다( 8 ). MK는 작은 세포질 조각이 거핵구에서 떨어져 나와 혈소판이 되는 단편화(fragmentation)를 통해 매일 수십억 개의 혈소판을 생산합니다( 9 ).

단편화(fragmentation) 동안 MK는 일련의 신장을 거쳐 전혈소판 샤프트 또는 혈소판 형성을 위한 조립 라인 역할을 하는 세포질 확장을 형성합니다( 10 ).

그런 다음 혈소판 크기의 부기(swellings)가 줄기(shaft)를 따라 형성됩니다( 11 ).

이렇게 발달하는 과정에서 부모 MK로부터 필요한 세포 소기관과 과립이 혈소판에 로드됩니다( 9).

혈소판에는 미토콘드리아, 세포골격(cytoskeleton) 및 조밀한 관형 시스템(dense tubular system, DTS)이 장착되어 있습니다( 3 , 12 ).

또한, 혈소판에는 표면에 연결된(surface-connected) 개방형 소관 시스템(open canalicular system, OCS)에 의해 운반 및 배출되는 알파 과립, 조밀 과립 및 리소좀 과립으로 분류된 분비 소기관이 포함되어 있습니다( 13 ) .

조밀한 과립에는 일반적으로 ADP 또는 세로토닌과 같은 작은 분자가 포함되어 있는 반면, 알파 과립에는 피브리노겐뿐만 아니라 기타 성장 인자 및 사이토카인과 같은 지혈 인자가 포함되어 있습니다( 14 ).

생성이 완료되면 혈소판은 골수에서 순환계로 방출되어 다음 7~10일 동안 삽니다( 15 ).

역사적으로 “세포 먼지”로 무시되었던 (16) 혈소판은 스트레스 반응의 핵심 구성 요소인 상처 치유, 혈관 신생, 면역 조절 및 염증 반응을 비롯한 보다 다양한 항상성 과정을 갖는 것으로 최근 밝혀졌습니다( 2 , 17 – 19 ).

지혈 이상의 혈소판 기능그림 1

그림 1
혈소판 기능의 다양성.
지혈 및 혈전증에서부터 질병에 대한 기여에 이르기까지 건강과 질병 모두에서 혈소판의 다양한 병태생리학적 기능 중 일부가 강조되어 있습니다.
또한 혈소판의 다양한 합성 및 방출과 면역 조절에 중요한 관여를 설명하는 섹션도 포함되어 있습니다.

혈소판은 주로 혈관 손상 시 출혈을 예방하여 정상적인 지혈을 유지하는 역할을 합니다. (20)

지혈은 혈관 구성 요소, 사이토카인 매개체, 섬유소 용해제 및 혈장 응고 메커니즘과 혈소판 상호 작용의 세심한 균형을 통해 달성됩니다(21).

이는 혈관 수축 및 지혈 마개(hemostatic plug) 형성(접착, 활성화 및 응집을 통해)으로 이어지는 혈관 반응의 시작을 돕습니다. 그런 다음 혈액 응고 단계는 혈전의 확장과 혈소판 내용물의 대량 방출로 시작됩니다( 22 ).

방출된 인자는 또한 조직 복구를 촉진하고 복구 과정을 해결하는 데 도움을 줍니다(23).

혈전증에서 혈소판의 역할은 필수적이며 점점 더 잘 이해되고 있습니다.

혈소판 내의 복잡한 함량을 고려하여 연구자들은 최근 응고 이상의 혈소판 기능을 조사하기 시작했으며 면역 조절, 감염, 염증 및 점점 늘어나는 질병(신경퇴행성 질환, 심혈관 질환 및 암)의 병인을 포함한 여러 과정에 혈소판이 관련되어 있음을 밝혀냈습니다. ( 24 – 26 ).

핵이 없는 경우, 이러한 과정에서 혈소판 미토콘드리아의 역할은 혈소판 기능 장애가 어떻게 질병 병리와 연관되고, 기여하고, 영향을 받는지를 포함하여 집중적인 연구의 초점이 되었습니다( 25 ) .

혈소판: 핵이 없는 영역

특히, 포유류의 혈소판에는 핵이 포함되어 있지 않습니다( 27 ).

흥미롭게도, 비포유동물 척추동물은 트롬빈에 대해서는 반응이 제한되어 있지만 ADP, 세로토닌 또는 에피네프린에는 반응하지 않는 유핵 혈소판을 가지고 있습니다( 28 , 29 ).

설명된 바와 같이( 9 ), 단편화 시 성숙한 포유류 MK는 무핵 혈소판으로 분리됩니다.

따라서 혈소판에는 일반적으로 복잡한 세포 기능에 대한 요구 사항으로 간주되는 게놈 유전 물질이 부여되지 않습니다( 16 ).

핵 물질(게놈 DNA)은 일반적으로 기능적 자율성을 제공합니다.

필요한 단백질은 핵에 제공된 게놈 로드맵에서 전사될 수 있습니다( 19).

그러나 혈소판에 핵이 존재하면 기능적 자율성이 희생되면서 혈소판이 수행하는 많은 중요한 역할이 방해를 받을 수 있습니다.

많은 새로운 기능을 수행하려면 혈소판은

1. 작고(작은 혈관에서 순환 가능),

2. 유연하고,

3. 효율성이 뛰어나고(단백질을 신속하고 효율적으로 생산),

4. 민감도가 높아야 합니다(스트레스 요인에 빠르게 반응).

평균적으로 인간 세포 핵은 혈소판(핵 ~6μm 직경)( 30 )보다 훨씬 크며, 이는 DNA 함량(인간의 경우 30억 염기쌍) 및 세포질 인자( 31 )에 따라 결정됩니다. 작고 컴팩트하더라도 핵이 존재하면 혈소판의 크기가 크게 증가하여 작은 혈관과 공간을 통과하는 능력이 감소합니다. 작은 크기 외에도 혈소판은 유연성이 있어야 하며 내부 공간을 조절하여 극심한 형태학적 변화를 겪을 수 있어야 합니다( 19), 다시 혈소판이 순환계의 가장 작은 혈관을 통과하여 필요할 때 조직으로 들어갈 수 있게 합니다. 또한, 이러한 향상된 유연성으로 인해 혈소판 OCS(개방형 소관 시스템, open canalicular system)는 활성화 중에 내부 빈 공간을 채워 혈장과 상호 작용할 수 있는 표면적을 늘릴 수 있습니다( 19 , 32 ). 조류 혈소판(유핵 혈소판)에 핵이 존재하면 포유류 혈소판보다 더 커지고 콜라겐에 덜 효율적으로 퍼지게 되며 응집체 형성에 필요한 α 2b β 3 인테그린의 수준이 훨씬 낮아집니다(28).

마찬가지로, 적혈구(RBC) 내에 핵이 없기 때문에 적혈구는 두 개의 오목한 모양을 유지할 수 있습니다. 그러나 추가적으로 핵 기능과 게놈을 유지할 필요성을 제거하여 적혈구가 헤모글로빈 생산 및 유지에 집중할 수 있게 합니다. 적혈구와 같은 혈소판은 전사 기구와 염색체를 갖춘 크고 복잡한 핵의 건강을 조절할 필요가 없습니다. 따라서 혈소판은 사전 포장되고 신중하게 선택된 RNA 및 번역 기계(복잡한 게놈 DNA의 전사 조절이 필요하지 않음)를 통해 지혈 및 항상성 역할에 필요한 것에 집중할 수 있습니다 (33, 34).

각 혈소판에는 몇 시간이나 며칠이 아닌 몇 분 안에(지혈에 필요함) 매우 효율적인 신속한 반응(35)에 필요한 풍부한 유전 정보와 처리 기계가 갖추어져 있습니다. 따라서 문헌과 유핵 조류 혈소판의 낮은 효율성을 바탕으로 핵이 없으면 혈소판 기능 효율성이 향상될 수 있다고 믿습니다. 이 개념을 뒷받침하려면 더 많은 연구가 필요합니다. 흥미롭게도, RNA의 핵 공급원이 없는 경우, 혈소판은 미세소포체(MV)를 통해 외부 공급원으로부터 RNA 물질을 흡수할 수 있습니다( 36 ). RNA는 또한 미세소포 매개 세포간 누화를 통해 혈소판에서 다른 세포로 기증될 수 있습니다( 37 – 39). 이러한 MV 내의 마이크로 RNA는 혈전증, 면역 반응 및 다양한 질병에서 혈소판의 역할을 이해하는 데 점점 더 관련성이 있는 것으로 입증되었습니다. miRNA뿐만 아니라 전사 인자 및 미토콘드리아는 12-리폭시게나제 및 포스포리파제 A2-IIA에 의해 매개되는 호중구와 같은 세포로 전달됩니다( 40 ). 따라서 혈소판은 핵이 없더라도 "지능적"이라는 것이 입증되었습니다. 환경과 상호 작용하고 해당 환경의 요구에 효율적으로 반응하는 혈소판의 능력은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 나타냅니다(41).

혈소판 미토콘드리아는 혈소판의 기능과 생존에 핵심입니다그림 2

그림 2
혈소판 미토콘드리아 기능. 혈소판 미토콘드리아 함량(게놈학 및 단백질체학), 생리학적 기능(대사), 병리 및 질병 관련(활성화 과정, 세포사멸 및 질병 관련)에 대해 설명합니다.

스트레스 요인이나 혈관 손상(혈전증)에 신속하게 대응하는 능력을 유지하려면 대응을 조율하기 위한 매우 효율적인 에너지원과 대사산물이 필요합니다.

미토콘드리아가 없는 적혈구와 달리 혈소판에는 미토콘드리아가 장착되어 있습니다( 42 ). 흥미롭게도 미토콘드리아는 핵과 공통된 많은 특징을 가지고 있으며

1. 둘 다 DNA를 포함하고

2. 둘 다 이중 원형질막으로 둘러싸여 있으며

3. 둘 다 세포 주기 동안 분열할 수 있습니다(30) .

그러나 “세포의 발전소”라고 불리는 미토콘드리아의 역할은 상당히 다르며, 에너지 생산과 대사에 필수적인 역할을 합니다(43). 미토콘드리아는 아데노신 삼인산(ATP) 생산에 관여하는 트리카르복실산(TCA) 주기 및 산화적 인산화(OXPHOS)와 같은 주요 에너지 과정의 본거지입니다(44) .그러나 연구에 따르면

1 활성산소종(ROS)의 생성( 45 ),

2 Ca 2+ 항상성( 46 ),

3 세포사멸 조절( 47 ) 및

4 ER 스트레스 반응 메커니즘( 48 )

과 같은 에너지 생산 이상의 많은 과정에서 미토콘드리아가 관련되어 있습니다.

미토콘드리아 건강 및 기능 장애는 신경퇴행성 질환(예: 알츠하이머병( 50 ) 및 파킨슨병(51 ) 뿐만 아니라 또한 노화( 49 )와 관련되어 있습니다. . 건강한 혈소판에는 5~8개의 미토콘드리아가 포함되어 있으며, 그 중 대부분은 혈소판이 적절한 기능을 유지하기 위해 손상되지 않은 상태로 유지되어야 합니다.

건강한 혈소판에서 미토콘드리아는 신진대사, 활성화, ATP 생산부터 세포 과정 및 생존 능력의 조절에 이르기까지 유핵 세포에 대해 설명된 대로 다양한 목적을 수행하는 것으로 입증되었습니다(42, 52).

핵 조절이 없는 경우 혈소판 건강은 주로 미토콘드리아의 건강에 의해 결정됩니다( 53 ). 다수의 질병에서 명백한 바와 같이, 손상된 혈소판의 과잉은 조기 세포사멸을 초래할 수 있습니다. 그러므로 혈소판 미토콘드리아를 건강하게 유지하는 것이 필수적입니다. ( 25 ) 다양한 유핵 세포에서 미토콘드리아의 전환율은 9~24일 범위입니다( 54 , 55). 혈소판의 수명(7~10일), 에너지 생산을 위한 미토콘드리아의 필요성, 핵으로 암호화된 미토콘드리아 단백질을 지속적으로 보충할 수 없다는 점을 고려하면, 혈소판 미토콘드리아의 수명이 혈소판 수명을 결정하는 것으로 보입니다. 미토콘드리아 세포사멸의 주요 조절자인 미토콘드리아 단백질 Bcl-xl이 혈소판 수명을 결정하는 것으로 보고되었습니다( 56 ). 더욱이, 최근 연구에서는 TNF-알파에 의한 거핵구 재프로그래밍이 미토콘드리아의 질량과 활동을 증가시키는 것이 노화와 관련하여 관찰된 과잉 활동과 혈전증의 주요 원인인 것으로 나타났습니다(57) 다양한 요인이 미토콘드리아 건강에 영향을 미치며, 특히 무핵 혈소판과 관련하여 미토콘드리아 기능과 수명을 결정하는 일부 주요 구성 요소에 대해 논의할 것입니다.

미토콘드리아 DNA(mtDNA)

완전한 미토콘드리아 게놈은 적절한 미토콘드리아 및 혈소판 기능과 mtDNA 돌연변이로 인한 미토콘드리아 근병증과 같은 수많은 미토콘드리아 관련 질병의 예방에 필요합니다(58) . 미토콘드리아는 식물의 엽록체와 함께 핵 외에 유전 물질을 함유하는 유일한 소기관입니다( 59 ). 인간 미토콘드리아 DNA(mtDNA)는 이중 가닥이고 원형이며 상대적으로 작습니다.

16.6kbp에서 인간 mtDNA는

1. 2개의 rRNA,

2. 22개의 tRNA 및

3. 13개의 폴리펩티드

를 코딩하는 37개의 유전자로 구성되며, 모두 OXPHOS 효소 복합체의 구성 요소입니다(60).

박테리아 염색체 DNA와 유사하게, mtDNA는 미토콘드리아 내의 핵양체(nucleoids)에 여러 복사본으로 구성되어 있습니다( 61).

미토콘드리아는 원핵생물 조상에서 유래했을 가능성이 높기 때문에 대체로 자급자족할 수 있습니다. 즉, mtDNA를 내부적으로 그리고 독립적으로 유지, 전사 및 번역할 수 있습니다(62). 미토콘드리아는

1. 가닥 치환 방식(strand-displacement mode, SDM)(63, 64),

2. 지연 가닥 복제(ribonucleotide incorporated throughout the lagging strand replication, RITOLS)(65),

3. 핵 복제 방식 및 결합된 선도-지연 가닥 합성(coupled leading-lagging strand synthesis)(66)를 포함하여 상당히 다른 여러 가지 mtDNA 복제 방식을 가지고 있습니다.

mtDNA 사본 수는 미토콘드리아 기능의 간접적인 측정으로 간주되며( 67 ) 말초 혈액에서의 정량화는 주로 백혈구와 혈소판의 mtDNA 사본 수를 반영합니다( 68 ).

혈소판 mtDNA의 후생적 조절은 혈소판 mtDNA의 높은 메틸화가 심혈관 질환(CVD)의 바이오마커가 될 수 있다는 점에서 특히 중요합니다( 69 , 70 ).

미토콘드리아 기능

mtDNA 외에도 미토콘드리아에는 미토콘드리아 활동에 대한 중요한 통찰력을 제공하는 복잡한 단백질 배열이 갖추어져 있습니다(71).

미토콘드리아는 포유류에서 약 1,500개의 서로 다른 단백질을 함유하고 있는 반면, 효모에서는 약 1,000개의 단백질을 함유하고 있습니다.(72)

mtDNA에 의해 암호화된 단백질의 대부분은 호흡 사슬 복합체의 구성 요소를 형성하기 때문에 대부분의 미토콘드리아 단백질은 핵에 의해 암호화되어 미토콘드리아 트랜스로카제의 도움을 받아 세포질에서 미토콘드리아로 유입됩니다(73).

각 단백질은 적절한 미토콘드리아 막으로 안내하는 뚜렷한 수입 신호와 결합되어 삽입됩니다. 외막 단백질은 TOM 복합체에 의해 통합되는 반면, TIM23은 내막 단백질 통합을 담당하는 전배열 전위효소입니다( 74 ) . 단백질이 미토콘드리아에 통합되는 메커니즘은 번역 후입니다. ER 단백질 도입과 달리 미토콘드리아 단백질은 미토콘드리아로 전위되기 전에 세포질에서 전구체 단백질로 합성됩니다(75) .

혈소판의 미토콘드리아와 에너지 대사: 대부분의 인간 유핵 세포에는 수천 개는 아니더라도 수백 개의 활성 미토콘드리아가 포함되어 있지만, 혈소판에는 일반적으로 세포당 5~8개의 미토콘드리아만 포함되어 있습니다( 42 ). 그러나 대사적으로 혈소판은 매우 활동적입니다. 예를 들어, 휴면 중인 포유류 근육 세포에 비해 혈소판은 ATP 전환율이 훨씬 더 높습니다(69).

이러한 에너지 수요는 해당과정과 미토콘드리아 OXPHOS의 노력을 결합한 대사 시스템을 사용하여 충족됩니다. 혈소판에서

1. 해당과정은 세포 ATP의 약 60%를 제공하고,

2. OXPHOS는 나머지 30~40%를 제공합니다(25).

혈소판의 전체 미토콘드리아 기능 중 50%는 ATP 생산에 사용됩니다. 예비 에너지는 무엇보다도 산화 스트레스에 대한 세포 반응을 담당합니다( 76).

ATP는 적절한 혈소판 기능에 필수적입니다. 칼슘 항상성 유지와 같이 혈소판 내에서 발생하는 여러 주요 과정에는 지속적인 에너지 공급이 필요합니다.

흥미롭게도 혈소판은 이러한 에너지 수요를 충족시키는 데 도움이 되는 대사 유연성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 활성화된 혈소판은 미토콘드리아 기능을 보존하면서도 해당과정 표현형을 나타냅니다( 77 ).

OXPHOS(미토콘드리아 ATP 생산) 대신 해당작용이나 지방산 이화작용을 활용하는 이러한 능력은 혈소판이 저산소증이나 미토콘드리아 억제제의 존재와 같은 다양한 상황에 적응할 수 있게 해줍니다.(78).

여러 연구에 따르면 미토콘드리아 OXPHOS와 해당작용이 동시에 억제되는 경우에만 다른 대사 활동과 함께 혈소판 응집이 완전히 중단되는 것으로 나타났습니다( 79 ).

실제로, GLUT1 및 GLUT3(혈소판 포도당의 주요 수송체)의 이중 녹아웃은 미토콘드리아 재프로그래밍, 혈전증 감소 및 혈소판 감소증과 함께 혈소판 활성화 감소로 이어집니다( 80 ).

이는 이러한 대사 가소성이 아주 적은 수의 미토콘드리아로도 혈소판이 엄청난 에너지 수요를 충족할 수 있게 하는 열쇠라는 것을 시사합니다.

미토콘드리아 및 혈소판 활성화: 혈소판은 일차 항상성의 고착 과정과 혈액 응고 단계의 시작 동안 활성화됩니다(81).

최근까지 이 과정에서 미토콘드리아가 수행하는 유일한 역할은 에너지 역할이라고 가정되었습니다(78).

그러나 새로운 연구에서는

1. 미토콘드리아 투과성 전이(MPT)( 82 , 83 ),

2. ROS 생성 증가( 84 – 86 ) 및

3. 미토콘드리아 막 전위 붕괴(ΔΨm)와 같은 혈소판 활성화에 여러 미토콘드리아 기능의 기여가 입증되었습니다.

혈소판 활성화는 여러 작용제에 의해 매개됩니다.

콜라겐, 트롬빈 ​​및 ADP는 모두 지혈 조절에 관여합니다(87).

이들 작용제의 활성은 세포내 칼슘의 일반적인 증가에 의해 매개됩니다( 88 ).

미토콘드리아는 혈소판 칼슘 수준을 조절하는 데 거의 영향을 미치지 않지만( 89 ), 미토콘드리아 내 칼슘 수준의 동시 증가는 인테그린 활성화 및 과립 방출에 영향을 주지 않고 포스파티딜세린(PS) 노출을 중재합니다( 86 ).

증가된 미토콘드리아 칼슘 수치는 또한 미토콘드리아 ROS 불균형 및 MPT 기공 활성화와 상관관계가 있습니다( 90 ).

미토콘드리아 및 세포질 칼슘의 급격한 증가를 특징으로 하는 강력한 혈소판 활성화는 또한 시클로필린 D(CypD) 의존 메커니즘을 통해 미토콘드리아 막 전위(ΔΨ m )의 붕괴를 시작하는 것으로 보입니다.(56)

따라서 미토콘드리아 칼슘에 의해 매개되는 이러한 붕괴는 추가적인 ROS 생성과 혈소판 부착에 필수적인 PS 노출의 시작에 기여합니다( 85 ).

흥미롭게도 이러한 미토콘드리아 활성화 경로는 혈소판 세포사멸 체계에도 기여합니다( 84 , 91 , 92 ).

미토콘드리아와 세포사멸그림 3

그림 3
고혈당증에 대한 혈소판 반응. 스트레스(고혈당증)에 대한 일부 신호 및 기능적 반응을 개괄적으로 설명하는 다이어그램입니다. 알도스 환원효소 효소 시스템을 통해 포도당이 증가하면(고혈당증) 활성 산소종(ROS)이 강화될 수 있습니다. 이는 p38MAPK를 포함한 여러 경로를 활성화하여 혈소판 활성화 및 혈전증을 촉진할 수 있습니다( 93 ). 미토콘드리아 손상, 세포사멸 및 혈전증을 촉진하는 포스퍼-p53 및 Bcl-xl( 94 ); 독성으로 손상된 미토콘드리아를 제거하는 미토파지 구조 반응( 95 ).

오랫동안 유핵 세포에만 연관되어 있었던 세포사멸은 정상 및 비정상 자극 모두에 의해 유도되거나 억제될 수 있는 체계적인 세포 삭제 메커니즘입니다( 96 ).

그러나 최근 연구에서는 무핵 혈소판에서 세포사멸이 확인되었습니다( 96 , 97 ).

형태학적으로 혈소판 세포사멸은

1. 수포형성,

2. 혈소판 수축,

3. PS 노출,

4. 미세입자로의 단편화 및

5. 필로포드(filopod) 형성을 특징으로 합니다( 96 ).

세포사멸은 외인성 또는 내인성 경로를 따르는데,

1. 전자(외인성)는 세포 표면 사멸 수용체의 활성화에 의해 자극되고

2. 후자는 Bcl-2(B-cell lymphoma 2) 계열의 세포사멸 촉진 및 항세포사멸 구성원의 미토콘드리아 조정에 의해 매개됩니다(98).

세포사멸의 특징적인 혈소판 PS(포스파티딜세린) 노출과 함께 혈소판 내 Bcl-2 계열 단백질의 존재는 혈소판이 주로 내인성 세포사멸 경로를 따를 수 있음을 시사합니다(99, 100).

혈소판 생존의 핵심 조절자인 Bcl-xL(B-cell lymphoma-extra large)은 미토콘드리아를 손상시키는 두 가지 세포사멸 촉진 단백질인 BAK와 BAX를 억제하는 역할을 합니다.

Bcl-xL 또는 BAK/BAX(Apoptosis regulator BAX)가 손상된 연구에서는 자연적인 혈소판 수명에 간섭이 있는 것으로 나타났습니다.( 98 , 101 , 102 ).

Bcl-2 계열 생존 촉진 단백질의 과발현은 순환계에서 혈소판의 생존을 증가시킬 수 있습니다( 103). 그러나 생쥐에서 Bcl-2의 결실은 혈전 생성이나 혈소판 수명에 영향을 미치지 않았으며( 104 ), 이는 보상 반응을 뒷받침합니다.

혈소판이 스트레스를 받거나 자연적인 종말에 도달하면 생존 신호가 압도되어 BAK 및 BAX의 활성화를 유발하여 미토콘드리아 막의 구멍을 통해 시토크롬C 와 같은 미토콘드리아 성분의 후속 방출을 시작합니다(105). 세포질에 시토크롬 c가 존재하면 세포사멸 카스파제 캐스케이드가 촉발되는데, 이는 개시 카스파제-9에서 시작하여 효과기 카스파제-3 및 카스파제-7로 끝나며, 수백 개의 세포내 구성요소를 절단하고 여러 필수 세포 과정을 효과적으로 파괴합니다(106).

흥미롭게도 BCL2 계열 단백질은 인간 제대혈 배양에서 거핵구 전혈소판 형성을 증가시키는 데 관여하는 항-아폽토시스 계열 구성원인 BCL2L2와 함께 혈소판 형성에도 관여합니다(107)

혈소판의 미토파지/혈소판의 미토콘드리아 전환 그림 3 혈소판 건강과 수명 유지에 있어서 혈소판 미토콘드리아 보호의 중요성을 강조하면서, 유도된 미토파지의 보호 과정이 최근 혈소판에서 설명되었습니다( 95 ).

이는 혈소판 활성화에 중요한 역할을 하는 기본 혈소판 자가포식과는 다릅니다( 108 – 110 ). 미토파지는 파킨(Parkin) 독립적 또는 의존적 경로에 의해 생성될 수 있습니다( 111 – 115 ) 혈소판의 과정은 파킨 의존적이며 산화 스트레스와 미토콘드리아 매개 손상으로부터 혈소판을 보호합니다(95).

핵이 없는 경우 혈소판에는 초기 식세포 형성(initial phagophore formation, nucleation(핵 생성))부터 유비퀴틴 유사 접합 시스템(ubiquitin-like conjugating systems), 미세소관 관련 단백질 1 경쇄 3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)에 의한 막의 후속 확장까지 고도로 정렬되고 복잡한 과정이 미리 포장되어 있어야 합니다.

그리고 자가포식 단백질 시스템(autophagy protein system, ATG)은 궁극적으로 표적을 완전히 둘러싸는 식세포이며 리소좀과의 융합이 뒤따르며 리소좀 효소에 의한 내용물 분해를 일으킵니다(116 – 118).

미토콘드리아 스트레스/손상을 예상하여 이 과정을 위해 mRNA 구성요소를 분류하고 사전 포장하는 데 필요한 에너지는 건강과 질병에서 혈소판 미토콘드리아의 필수적인 역할을 시사합니다. 혈소판 미토파지는 독성으로 손상된 미토콘드리아(당뇨병에서와 같이)를 제거하여 혈소판 세포사멸을 예방합니다.( 95 , 119 )

혈소판 미토파지가 손상되면 혈소판 세포사멸이 증가하여 혈전증이 증가할 수 있습니다.(95)

질병의 혈소판 미토콘드리아

미토콘드리아는 혈소판 대사, 활성화 및 세포사멸에 필수적인 역할을 하기 때문에 미토콘드리아 기능 장애가 여러 질병, 특히

1. 알츠하이머병과 파킨슨병(120 ),

2. 심혈관 질환(CVD)( 121 ),

3. 당뇨병( 122 ) 및

4. 패혈증( 123 )에서 혈소판 기능 장애와 세포사멸에 기여한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

세포사멸 혈소판은 정상 혈소판보다 50~100배 빠른 응고를 유도하는데, 그 이유는 혈소판 표면의 포스파티딜세린이 응고 효소 조립 및 트롬빈 생성을 위한 촉매 부위로 작용하기 때문 입니다 (124, 125). 따라서 최근 연구는 조직 항상성과 관련하여 혈소판 기능을 결정하는 복잡한 미토콘드리아 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다( 126 ). 복제 중 PolyG의 충실도 감소로 인해 mtDNA의 돌연변이 비율은 핵 DNA의 돌연변이 비율보다 약 100배 더 높습니다( 127 ). 추가적으로, 미토콘드리아 DNA 분리 과정은 핵에서보다 훨씬 적은 조직으로 무작위로 발생하며 때로는 유사하지만 동일하지는 않은 mtDNA 사본을 딸 세포에 남기기도 합니다( 128 ) . 종합적으로, 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있는 mtDNA 이상 및 돌연변이의 위험이 증가하여 ATP 생성을 방해하고 산화 스트레스가 증가합니다 (129).

미토콘드리아 기능에 영향을 미치는 돌연변이는

1. 노화(130) 및

2. 당뇨병(58),

3. 파킨슨병(51) 및

4. 심혈관 질환(69)

과 같은 노화 관련 질병 과도 관련이 있습니다.

순환계의 혈소판 미토콘드리아 DNA는 질병의 바이오마커 역할을 할 수 있습니다(131–133).

죽상경화증 및 혈전증을 포함한 심혈관 질환(CVD)은 당뇨병 환자의 주요 사망 원인입니다(134). 급성 및 만성 고혈당증을 특징으로 하는 당뇨병은 혈소판에서 미토콘드리아 ROS 생성을 증가시켜 활성화를 일으키는 것으로 나타났습니다(85 , 93 , 135). 혈소판은 또한 죽상동맥경화증의 염증 환경에 단핵구와 함께 기여하는 죽상동맥경화증 병변의 발달에 선도적인 역할을 하는 것으로 확인되었습니다( 136 , 137 ).

제2형 당뇨병은 혈소판 미토콘드리아 ATP 함량과 혈소판 활성의 초기 증가와 함께 혈소판 ATP 생산의 변화를 초래하고 (93, 138), 심각한 지속적인 산화 스트레스가 있는 경우 혈소판 세포사멸과 ATP 생산 감소가 뒤따릅니다( 94 , 138 , 139 ).

항혈소판 치료법과 고혈당 조절 치료법은 제2형 당뇨병에서 관찰되는 높은 수준의 혈소판 반응성을 조절하는 데 점점 더 관련성이 높아졌습니다( 140 , 141 ).

혈소판 미토콘드리아 기능을 보존하는 것은 당뇨병 환자의 잠재적으로 치명적인 혈전증 발병 위험을 줄이는 추가 수단이 될 수 있습니다( 142 ).

혈소판은 또한 면역 조절에 필수적인 기능을 수행할 수 있습니다( 143 – 146).

패혈증의 경우 혈소판 미토콘드리아의 생체에너지 변화가 관찰되었으며( 147 ), 이는 심각하지만 일시적인 장기 부전( 148 )에 기여합니다.

혈소판 감소증은 패혈성 쇼크에서 사망률 증가와 관련이 있습니다( 149 , 150 ).

최근, 혈소판 미토콘드리아는 생체에너지적으로 활성인 미토콘드리아를 유리 형태와 캡슐화된 형태로 방출하여 활성화 시 염증 반응을 유발하는 것으로 보고되었습니다( 151 ).

흥미롭게도 알파프로테오박테리움 리케차 프로와 제키이(Rickettsia prowazekii)는 미토콘드리아의 진화적 조상일 수 있습니다( 152 ).

파킨슨병과 알츠하이머병은 모두 혈소판, 미토콘드리아 기능 장애 및 혈소판 세포사멸과 관련된 심각한 신경퇴행성 질환입니다. ( 153 , 154 )

혈소판은 구조적, 기능적으로 뉴런과 유사한 것으로 간주되며 뉴런 및 뇌와 관련된 주요 단백질이 풍부한 것으로 나타났습니다 ( 155 – 157 ).

실제로, 혈소판은 뇌 다음으로 가장 많은 양의 아밀로이드 전구체 단백질인 시누클레인과 타우를 함유하고 있으며 신경퇴행성 질환과 관련된 이러한 주요 단백질의 순환 수준에 주요 기여자입니다(158).

프로파일링된 다른 질병과 마찬가지로 알츠하이머병은 손상된 미토콘드리아 ETC를 나타냅니다.

특히, 복합체 IV의 산화 대사 성분인 시토크롬 C 산화효소의 활성이 손상된 것으로 나타났습니다( 159 ).

알츠하이머병의 혈소판 미토콘드리아는 미토콘드리아 손상과 혈소판 세포사멸을 초래하는 산화 스트레스 수준이 증가한 것으로 관찰되었습니다( 160 ).

파킨슨병의 미토콘드리아 기능에 대한 연구에서는 ETC, α-시누클레인, PARKIN, PINK1, DJ-1 및 LRRK2의 복합체 I-IV에서 돌연변이 또는 결함이 확인되었습니다 (139).

복합체 I과 IV의 감소는 파킨슨병 발병 첫 해 내에 빠르게 진행될 수 있으며(161 , 162), 치료되지 않은 초기 파킨슨병에서는 혈소판 미토콘드리아 복합체 I 및 II/III의 낮은 수준의 활성이 있습니다( 163 ).

다른 주요 단백질 연관성에는 복합체 I 기능 장애의 핵심인 NADH CoQ 환원효소( 154 ), 미토콘드리아 ETC 복합체 I 및 II의 핵심 전자 수용체인 조효소 Q10( 164 – 166 ) 및 신경전달물질 분해 효소 모노아민 산화효소 B(monoamine oxidase B, MAO) ( 167 – 169 )가 포함됩니다.

일반적으로 알츠하이머병과 노화의 발병에 연루되어 있는 혈소판 MAO는 알츠하이머병과 파킨슨병의 발병에 대한 말초 바이오마커로 사용되어 왔습니다( 170 , 171). 또한 산화 스트레스로 인한 미토콘드리아 손상 및 파킨슨병의 세포사멸과의 연관성과 일치하여, 산화 보호 단백질인 메티오닌 설폭사이드 환원효소 2형(Msrb2)의 수준이 최근 파킨슨병 환자의 혈소판에서 감소하여 혈소판 세포사멸이 증가하는 것으로 나타났습니다(119).

실제로 혈소판 미토콘드리아는 파킨슨병에서 중요한 바이오마커 역할을 할 수 있습니다. 이러한 신경퇴행성 질환은 유전적 결함이나 환경적 스트레스로 인한 기능 감소 및 손상으로 인해 세포사멸 및 조기 혈소판 사망으로 이어지기 때문에 생존을 위한 혈소판 미토콘드리아의 필수 특성을 다시 한 번 입증합니다.

혈소판 기능에서 미토콘드리아의 중요성과 노화( 49 , 130 ) 및 당뇨병( 58 , 93 , 94 ), 파킨슨병( 51 , 119 ), 심혈관 질환(69) 등과 같은 노화 관련 질병에 대한 미토콘드리아 기능 장애의 잠재적 기여로 인해 혈소판 미토콘드리아를 표적으로 삼는 것이 보조 치료법으로 사용될 수 있습니다.

혈소판 미토콘드리아 대사 및 세포사멸을 표적으로 하는 약물은 병리학적 혈전증 및 질병에 대한 기여를 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다.

미토콘드리아의 유전체학(genomics)과 단백질체학(proteomics)(그림 2)은 Fuentes 등이 최근 우수한 논문에서 설명한 대로 여러 잠재적인 목표를 제공합니다(172).

그러나 혈소판에 대한 선택적 표적화에는 혈소판 표적화제와의 추가 결합이 필요할 수 있습니다.

결론

유핵 세포의 미토콘드리아는 잘 설명되어 있습니다.

미토콘드리아 기능은 유사하지만, 혈소판의 무핵 영역에서 그 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다.

이 리뷰에서 설명된 바와 같이, 미토콘드리아는 혈소판의 에너지 대사 및 ATP 생산에 관여할 뿐만 아니라 혈소판 활성화 및 세포사멸의 중심 동인이기도 합니다.

혈소판 기능과 수명에 중요한 두 가지 이벤트입니다. 많은 전신 질환에서 혈소판과 미토콘드리아의 병태생리학적 역할은 여전히 ​​집중적으로 조사되고 있습니다.

혈소판 미토콘드리아를 표적으로 하는 치료법은 궁극적으로 그러한 질병 과정에 유익한 것으로 입증될 수 있습니다.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6828734/

Role of Platelet Mitochondria: Life in a Nucleus-Free Zone

• Journal List 
• Front Cardiovasc Med 
• PMC6828734

As a library, NLM provides access to scientific literature. Inclusion in an NLM database does not imply endorsement of, or agreement with, the contents by NLM or the National Institutes of Health.
Learn more: PMC Disclaimer | PMC Copyright Notice

Front Cardiovasc Med. 2019; 6: 153.

Published online 2019 Oct 29. doi: 10.3389/fcvm.2019.00153

PMCID: PMC6828734

PMID: 31737646

Role of Platelet Mitochondria: Life in a Nucleus-Free Zone

Hannah Melchinger, Kanika Jain, Tarun Tyagi, and John Hwa*

Author information Article notes Copyright and License information PMC Disclaimer

Go to:

Abstract

Platelets are abundant, small, anucleate circulating cells, serving many emerging pathophysiological roles beyond hemostasis; including active critical roles in thrombosis, injury response, and immunoregulation. In the absence of genomic DNA transcriptional regulation (no nucleus), platelets require strategic prepackaging of all the needed RNA and organelles from megakaryocytes, to sense stress (e.g., hyperglycemia), to protect themselves from stress (e.g., mitophagy), and to communicate a stress response to other cells (e.g., granule and microparticle release). Distinct from avian thrombocytes that have a nucleus, the absence of a nucleus allows the mammalian platelet to maintain its small size, permits morphological flexibility, and may improve speed and efficiency of protein expression‎ in response to stress. In the absence of a nucleus, platelet lifespan of 7–10 days, is largely determined by the mitochondria. The packaging of 5–8 mitochondria is critical in aerobic respiration and yielding metabolic substrates needed for function and survival. Mitochondria damage or dysfunction, as observed with several disease processes, results in greatly attenuated platelet survival and increased risk for thrombovascular events. Here we provide insights into the emerging roles of platelets despite the lack of a nucleus, and the key role played by mitochondria in platelet function and survival both in health and disease.

Keywords: platelets, mitochondria, anucleate cells, metabolism, apoptosis

Go to:

Platelet Discovery and Origins

Platelets are small (2–4 μm), short-lived (7–10 days), anucleate circulating cells primarily responsible for the prevention of bleeding and the maintenance of hemostasis (1, 2). A healthy adult has a counts in the range of 150,000–450,000 platelets per microliter of blood, though these counts vary with age and health (3). Platelets were first identified by Schultze in 1865 (4), but its functions in hemostasis and thrombosis weren't elucidated until 1881 by Bizzozero (5, 6). In 1906, Wright established megakaryocytes (MKs) in the bone marrow to be the source of platelets (7), though recent studies have shown that mature megakaryocytes in the lungs can also release platelets into the pulmonary vasculature (8). MKs produce billions of platelets daily through fragmentation, in which small cytoplasmic pieces bud off the megakaryocyte to become platelets (9). During fragmentation, MKs undergo a series of elongations to form proplatelet shafts, or cytoplasmic extensions which serve as assembly lines for platelet formation (10). Platelet-sized swellings then form along the shaft (11); as these platelets develop, they are loaded with the necessary organelles and granules from the MK parent (9). Platelets are equipped with mitochondria, a cytoskeleton, and a dense tubular system (DTS) (3, 12). Additionally, platelets contain secretory organelles categorized as alpha, dense, and lysosomal granules, which are transported and discharged by a surface-connected open canalicular system (OCS) (13). Dense granules generally contain small molecules such as ADP or serotonin, whereas alpha granules contain hemostatic factors such as fibrinogen, as well as other growth factors and cytokines (14). Upon complete generation, platelets are released from the bone marrow into circulation, where they live for the next 7–10 days (15). Historically disregarded as “cellular dust” (16), platelets have only recently emerged as having more diverse homeostatic processes including wound healing, angiogenesis, immunoregulation, and inflammatory response all key components to a stress response (2, 17–19).

Go to:

Platelet Function Beyond Hemostasisy Figure 1

Figure 1

Diversity of platelet function. Highlighted are some of the diverse pathophysiological functions of platelets both in health and disease from hemostasis and thrombosis to contributions to disease. Included are also a section outlining diverse synthesis and release of platelets and important involvement in immunoregulation.

Platelets are primarily responsible for the maintenance of normal hemostasis by the prevention of hemorrhage during vascular injury (20). Hemostasis is achieved by a careful balance of platelet interactions with vascular components, cytokine mediators, fibrinolytic agents, and plasma coagulation mechanisms (21). They assist in initiating a vascular response leading to vasoconstriction, and formation of a hemostatic plug (through adhesion, activation, and aggregation). The blood coagulation cascade is then initiated with expansion of the thrombus and massive release of platelet contents (22). The released factors then also assist in promoting tissue repair and resolving the repair process (23). The role of platelets in thrombosis is essential, and increasingly becoming well-understood. Given the complex content within platelets, researchers have recently begun to investigate platelet function beyond coagulation, and have implicated platelets in several processes including immunoregulation, infection, inflammation, and the pathogenesis of a growing list of diseases (neurodegenerative diseases, cardiovascular disease and cancer) (24–26). In the absence of a nucleus, the role of the platelet mitochondria in these processes has become a focus of intense studies, including how platelet dysfunction is associated with, contribute to, is affected by the disease pathologies (25).

Go to:

Platelets: A Nucleus-Free Zone

Notably, mammalian platelets do not contain a nucleus (27). Interestingly, non-mammalian vertebrates have nucleated thrombocytes that have limited responses, to thrombin but not to ADP, serotonin or epinephrine (28, 29). As described (9), upon fragmentation, mature mammalian MKs segregate into anucleate platelets; thus, platelets are not endowed with the genomic genetic material generally considered a requirement for complex cellular function (16). Nuclear material (genomic DNA) generally provides functional autonomy; any needed protein can be transcribed from the genomic road map provided in the nucleus (19). However, the presence of a nucleus in platelets may hinder many of the important roles played by the platelet, at the expense of functional autonomy. To fulfill the many emerging functions, platelets need to be small (able to circulate in small vessels), flexible, highly efficient (produces proteins rapidly and efficiently) and highly sensitive (responds to stressors rapidly).

A human cell nucleus on average is much larger than a platelet (nucleus ~6 μm in diameter) (30), dictated by DNA content (3 billion base pairs in humans), and cytoplasmic factors (31). The presence of a nucleus even if small and compact, would greatly enhance a platelet's size thus reducing its ability to travel through small vessels and spaces. In addition to small size, platelets need to be flexible, capable of modulating their internal space to undergo extreme morphological changes (19), again allowing platelets to travel through even the smallest vessels in the circulatory system and enter tissues when needed. Further, this enhanced flexibility allows the platelet OCS to fill internal vacancies during activation to increase surface area available for interaction with blood plasma (19, 32). The presence of a nucleus in avian thrombocytes (nucleated platelets) makes them larger than mammalian platelets, causes them to spread less efficiently on collagen, and express much lower levels of the α2bβ3 integrin required for aggregate formation (28). Similarly, the lack of a nucleus within the red blood cells (RBC), allows them to maintain their distinct bi-concave shape; but additionally, removes the need to maintain nuclear function and genome, allowing the RBC to focus on producing and maintaining hemoglobin. Platelets, like RBCs, do not need to regulate the health of a large complex nucleus, with its transcriptional machinery and chromosomes. Platelets can thus focus on what is needed for their roles in hemostasis and homeostasis with prepackaged, carefully selected RNA and translational machinery (without requiring transcriptional regulation of complex genomic DNA) (33, 34). Each platelet is equipped with an abundance of needed genetic information, and processing machinery required for a highly efficient rapid response (35), within minutes (required for hemostasis), rather than hours or days. Thus, based upon the literature and the lower efficiency of nucleated avian thrombocytes, we believe that the lack of a nucleus allows for improved platelet functional efficiency. More studies are required to support this notion. Interestingly, in the absence of a nuclear source of RNA, platelets are capable of taking up RNA material from external sources through microvesicles (MVs) (36). RNAs can also be donated from platelets to other cells through microvesicle mediated intercellular crosstalk (37–39). The microRNAs within these MVs have proven to be increasingly relevant to understanding the role of platelets in thrombosis, immune response, and various diseases. Not only miRNA but transcription factors and mitochondria are conveyed to such cells as neutrophils, mediated by 12-lipoxygenase and phospholipase A2-IIA (40). Thus, platelets have proven to be “intelligent” even in the absence of a nucleus: a platelet's ability to interact with their environment and efficiently respond to the needs of that environment, has marked them as far more complex than previously thought (41).

Go to:

Platelet Mitochondria Are Key to Function and Survival of Platelets Figure 2

Figure 2

Platelet mitochondrial Functions. Outlined are platelet mitochondria contents (genomics and proteomics), physiological function (metabolism), and involvement in pathology and disease (process of activation, apoptosis and disease involvement).

To maintain the ability to rapidly respond to stressors or blood vessel damage (thrombosis), a highly efficient source of energy and metabolites are needed to orchestrate the response. Distinct from RBCs that are also devoid of mitochondria, platelets are equipped with mitochondria (42). Interestingly, mitochondria have a number of features in common with a nucleus, both contain DNA, both are surrounded by a double plasma membrane, and both can divide during the cell cycle (30). However, the role of the mitochondria, referred as the “powerhouse of the cell,” is quite different, playing essential roles in energy production and metabolism (43). The mitochondria is home to key energetic processes such as the tricarboxylic acid (TCA) cycle and oxidative phosphorylation (OXPHOS), both of which are involved in the production of adenosine triphosphate (ATP) (44). However, studies have implicated mitochondria in many processes beyond energy production, such as the generation of reactive oxygen species (ROS) (45), Ca2+ homeostasis (46), apoptosis regulation (47), and ER-stress response mechanisms (48). Mitochondrial health and dysfunction also appear to be involved in aging (49), as well as neurodegenerative diseases (e.g., Alzheimer's (50) and Parkinson's disease (51). Healthy platelets contain between 5 and 8 mitochondria, the majority of which must remain uncompromised for the platelet to maintain proper function. In healthy platelets, mitochondria has been demonstrated to serve a variety of purposes as described for nucleated cells, from metabolism, activation, ATP production to the regulation of cell processes and viability (42, 52).

In the absence of nuclear control, platelet health is largely determined by the health of their mitochondria (53). As is apparent in a number of diseases, an excess of damaged platelets can lead to premature apoptosis; therefore, it is essential to keep platelet mitochondria in good health (25). The turnover rate for mitochondria in various nucleated cells ranges from 9 to 24 days (54, 55). Considering, the lifespan of a platelet (7–10 days), the necessity of mitochondria for energy production, and the inability to consistently replenish nuclear encoded mitochondria proteins, the lifespan of the platelet mitochondria likely determines the platelet lifespan. A mitochondrial protein Bcl-xl, master regulator of mitochondrial apoptosis has been reported to determine platelet lifespan (56). Moreover, a recent study implicated TNF-alpha-driven megakaryocyte reprogramming leading to increased mitochondrial mass and activity as being a major contributor to the observed hyperactivity and thrombosis associated with aging (57). Multiple factors affect mitochondrial health and some of the key components determining mitochondria function and lifespan, especially in context of the anucleate platelets, will now be discussed.

Mitochondria DNA (mtDNA)

A complete mitochondrial genome is needed for both proper mitochondrial as well as platelet function, and the prevention of a number of mitochondrial related diseases such as mitochondrial myopathies caused by mtDNA mutations (58). Mitochondria, along with chloroplasts in plants, are the only organelles besides the nucleus to contain genetic material (59). Human mitochondrial DNA (mtDNA) is double-stranded, circular, and relatively small: at 16.6 kbp, human mtDNA is comprised of 37 genes encoding two rRNAs, 22 tRNAs, and 13 polypeptides, all of which are components of the OXPHOS enzyme complexes (60). Similar to bacterial chromosomal DNA, mtDNA is organized, in multiple copies, in nucleoids within the mitochondria (61). Because they likely originated from prokaryotic ancestors, mitochondria are largely self-sufficient: they are able to maintain, transcribe and translate mtDNA internally and independently (62). Mitochondria have several modes of mtDNA replication which differ significantly from the nuclear mode of replication including the strand-displacement mode (SDM) (63, 64), ribonucleotide incorporated throughout the lagging strand replication (RITOLS) (65) and coupled leading-lagging strand synthesis (66). mtDNA copy number is considered an indirect measure of mitochondrial function (67) and its quantification in peripheral blood, majorly reflects the mtDNA copy number in leukocytes and platelets (68). The epigenetic regulation of platelet mtDNA is of particular importance with higher methylation of platelet mtDNA being a possible biomarker for cardiovascular disease (CVD) (69, 70).

Mitochondrial Functions

In addition to mtDNA, mitochondria are equipped with a complex array of proteins offering significant insights into mitochondrial activity (71). Mitochondria contain around 1,500 distinct proteins in mammals, compared to around 1,000 in yeast (72). Since the majority of the proteins encoded by mtDNA form components of the respiratory chain complexes, most mitochondrial proteins are encoded by the nucleus and imported into the mitochondria from the cytosol with the help of mitochondrial translocases (73). Each protein is coupled with a distinct import signal which guides it to the appropriate mitochondrial membrane, to which it is then inserted: outer membrane proteins are integrated by the TOM complex, whereas TIM23 is the presequence translocase responsible for inner membrane protein integration (74). The mechanism by which proteins are incorporated into the mitochondria is posttranslational: unlike ER-protein import, mitochondrial proteins are synthesized in the cytosol as precursor proteins before being translocated into a mitochondrion (75).

Mitochondria and Energy Metabolism in the Platelets 

While most human nucleated cells contain hundreds, if not thousands, of active mitochondria, platelets generally contain only 5–8 mitochondria per cell (42). However, metabolically, platelets are quite active: for example, compared to resting mammalian muscle cells, platelets have much higher levels of ATP-turnover (69). This energy demand is met using a metabolic system which combines the efforts of glycolysis and mitochondrial OXPHOS. In platelets, glycolysis provides about 60% of cellular ATP, while OXPHOS provides the remaining 30–40% (25). Out of the platelet's total mitochondrial function, 50% is dedicated to ATP production; the reserve energy is responsible for, among other activities, cellular response to oxidative stress (76). ATP is essential to proper platelet function: several key processes that occur within the platelet, such as the maintenance of calcium homeostasis, require a constant energy supply. Interestingly, platelets have been shown to have a metabolic flexibility that helps them meet this energy demand; activated platelets exhibit a glycolytic phenotype even as they preserve mitochondria function (77). This ability to utilize glycolysis or fatty acid catabolism instead of OXPHOS (mitochondrial ATP production) allows the platelet to adapt to different situations, such as hypoxia or the presence of mitochondrial inhibitory agents (78). Several studies have shown that platelet aggregation along with other metabolic activities are only fully interrupted when mitochondrial OXPHOS and glycolysis are inhibited simultaneously (79). Indeed, double knockout of GLUT1 and GLUT3 (major transporters of platelet glucose) leads to mitochondria reprograming, reduced thrombosis and reduced platelet activation along with thrombocytopenia (80). This suggests that this metabolic plasticity is the key to enabling platelets to meet their extraordinary energy demand with so few mitochondria.

Mitochondria and Platelet Activation 

Platelets are activated during the adhesion events of primary homeostasis, and the initiation of the blood coagulation cascades (81). Until recently, it was assumed that the only role mitochondria played in this process was an energetic one (78). However, new studies have demonstrated the contributions of several mitochondrial functions in platelet activation such as the mitochondrial permeability transition (MPT) (82, 83), increased ROS generation (84–86), and collapse of mitochondrial membrane potential (ΔΨm). Platelet activation is mediated by several agonists: collagen, thrombin, and ADP have all been implicated in the regulation of hemostasis (87). The activity of these agonists is mediated by a common increase in intracellular calcium (88). Mitochondria do little to regulate platelet calcium levels (89), but a simultaneous increase in intramitochondrial calcium levels does mediate phosphatidylserine (PS) exposure, without affecting integrin activation and granule release (86). Increased mitochondrial calcium levels also correlate with mitochondrial ROS imbalance and MPT pore activation (90). Strong platelet activation characterized by the drastic increase in mitochondrial and cytosolic calcium also seems to initiate the collapse of the mitochondrial membrane potential (ΔΨm) via a cyclophilin D (CypD)-dependent mechanism (56). Thus, this collapse, mediated by mitochondrial calcium, contributes to further ROS generation and the initiation of the PS exposure essential for platelet adhesion (85). Interestingly, these mitochondrial activation pathways also contribute to the platelet apoptosis framework (84, 91, 92).

Mitochondria and Apoptosis Figure 3

Figure 3

Platelet response to hyperglycemia. Diagram outlining some of the signaling and functional responses to stress (hyperglycemia). Increased glucose (hyperglycemia) through the aldose reductase enzymic system can lead to enhanced reactive oxygen species (ROS). This can activate multiple pathways including p38MAPK, promoting platelet activation and thrombosis (93); phosphor-p53 and Bcl-xl, promoting mitochondrial damage, apoptosis, and thrombosis (94); and a mitophagy rescue response, removing toxic damaged mitochondria (95).

Long associated only with nucleated cells, apoptosis is a mechanism of systematic cell deletion which can be induced or inhibited by both normal and abnormal stimuli (96). However, recent studies have identified apoptosis in the anucleate platelet (96, 97). Morphologically, platelet apoptosis is characterized by blebbing, platelet shrinkage, PS exposure, fragmentation into microparticles, and filopod formation (96). Apoptosis follows either an extrinsic or intrinsic pathway, the former stimulated by the activation of cell-surface death receptors, and the latter mediated by mitochondrial coordination of pro- and anti-apoptotic members of the Bcl-2 family (98). The presence of Bcl-2 family proteins within platelets, along with the platelet PS exposure characteristic of apoptosis, suggests that platelets might primarily follow an intrinsic apoptotic pathway (99, 100). Bcl-xL, the key regulator of platelet survival, is responsible for inhibiting BAK and BAX, two pro-apoptotic proteins which serve to damage the mitochondria: studies in which either Bcl-xL or BAK/BAX were impaired saw interference with natural platelet lifespan (98, 101, 102). Overexpression‎ of Bcl-2 family pro-survival proteins can increase survival of platelets in the circulation (103). However, deletion of Bcl-2 in mice did not affect thrombopoiesis or platelet life span (104), supporting compensatory responses. When platelets come under stress or reach their natural end, the survival signal is overwhelmed and causes the activation of BAK and BAX, initiating the subsequent release of mitochondrial components such as cytochrome c through pores in the mitochondrial membrane (105). The presence of cytochrome c in the cytosol triggers the apoptotic caspase cascade, which begins with the initiator caspase-9 and ends with the effectors caspase-3 and caspase-7, which cleave hundreds of intracellular components and effectively destroy several essential cellular processes (106). Interestingly BCL2 family proteins are also involved in platelet formation with the anti-apoptotic family member BCL2L2 being involved in increasing megakaryocyte proplatelet formation in cultures of human cord blood (107).

Mitophagy in Platelets/Mitochondrial Turnover in Platelets Figure 3 

Highlighting the importance of protecting platelet mitochondria in maintaining platelet health and lifespan, the protective process of induced mitophagy was recently described in platelets (95). This is distinct from basal platelet autophagy needed for an important role in platelet activation (108–110). Mitophagy can be generated by Parkin-independent or -dependent pathways (111–115) The process in platelets is Parkin-dependent and protects the platelet from oxidative stress and mitochondrial mediated damage (95). In the absence of a nucleus the platelet requires prepacking of the highly ordered and complex process, from initial phagophore formation (nucleation) to subsequent expansion of the membrane by ubiquitin-like conjugating systems, microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3), and the autophagy protein system (ATGs), ultimately the phagophore completely surrounding its target, followed by fusion with a lysosome, leading to content degradation by lysosomal enzymes (116–118). The energy required to sort and prepackage the mRNA components for this process in anticipation of mitochondria stress/damage suggests an essential role for platelet mitochondria in health and disease. Platelet mitophagy removes toxic damaged mitochondria (as in diabetes mellitus) preventing platelet apoptosis (95, 119). If platelet mitophagy is impaired, increased platelet apoptosis can contribute to enhanced thrombosis (95).

Go to:

Platelet Mitochondria in Disease

Because mitochondria play such an integral role in platelet metabolism, activation, and apoptosis, it is no surprise that mitochondrial dysfunction contribute to dysfunctional platelet activity and apoptosis in several diseases, most notably Alzheimer's and Parkinson's (120), cardiovascular disease (CVD) (121), diabetes mellitus (122), and sepsis (123). Apoptotic platelets induce clotting 50–100 times faster than normal platelets, because phosphatidylserine on the platelet surface acts as a catalytic site for clotting enzyme assembly and thrombin generation (124, 125). Recent studies have therefore provided invaluable insight into the complex mitochondrial mechanisms that determine platelet function in relation to tissue homeostasis (126). Due to the decreased fidelity of PolyG during replication, the mutation rate of mtDNA is about 100-fold higher than that of nuclear DNA (127). Additionally, the process of mitochondrial DNA segregation occurs randomly and with far less organization than in the nucleus, sometimes leaving daughter cells with similar, but not identical, copies of mtDNA (128). Combined, there is increased risk for mtDNA abnormalities and mutations that can have severe health consequences, hindering ATP generation and increasing oxidative stress (129). Mutations which impact mitochondrial functionality are also relevant in aging (130) and age-related diseases, such as diabetes mellitus (58), Parkinson's (51), and cardiovascular disease (69). Platelet mitochondrial DNA in the circulation may serve as biomarkers for disease (131–133).

Cardiovascular diseases (CVD) including atherosclerosis and thrombosis are the leading causes of death for patients with diabetes (134). Diabetes mellitus, characterized by acute and chronic hyperglycemia have been shown to increase mitochondrial ROS production in platelets leading to activation (85, 93, 135). Platelets have also been identified as leading players in the development of atherosclerotic lesions, contributing, along with monocytes, to the inflammatory environment of atherosclerosis (136, 137). Type 2 diabetes results in alterations of platelet ATP production with an initial increase in platelet mitochondrial ATP content and platelet activity (93, 138), followed by platelet apoptosis and a decrease in ATP production, in the presence of severe persistent oxidative stress (94, 138, 139). Antiplatelet therapies, as well as hyperglycemic control treatments, have become increasingly relevant for the regulation of the high levels of platelet reactivity observed in Type 2 diabetes (140, 141). Preserving platelet mitochondrial function may be an additional means of decreasing the risk of potentially fatal thrombotic events for diabetic patients (142). Platelets may also serve essential functions in immunoregulation (143–146). Alterations in the bioenergetics of platelet mitochondria have been observed in cases of sepsis (147), contributing to drastic, but impermanent, organ failure (148). Thrombocytopenia is associated with increased mortality in septic shock (149, 150). Recently, platelet mitochondria have also been reported to incite an inflammatory response upon activation through release of bioenergetically active mitochondria in free as well as encapsulated form (151). Interestingly, the alphaproteobacterium Rickettsia prowazekii may be an evolutionary ancestor of the mitochondria (152).

Both Parkinson's and Alzheimer's are severe neurodegenerative diseases that have been linked to platelets, mitochondrial dysfunction and platelet apoptosis (153, 154). Platelets, are considered to be structurally and functionally similar to neurons and have been shown to rich in key proteins associated with the neurons and brain (155–157). Indeed, after the brain, platelets contain the highest amounts of Amyloid precursor protein, synuclein and tau, and are major contributors to the circulating levels of these key proteins involved in neurodegenerative diseases (158). As in the other diseases profiled, Alzheimer's presents a compromised mitochondrial ETC; in particular, the activity of cytochrome c oxidase, an oxidative metabolic component of Complex IV, has been shown to be impaired (159). Platelet mitochondria in Alzheimer's have been observed as having increased levels of oxidative stress leading to mitochondrial damage and platelet apoptosis (160). Studies of mitochondrial function in Parkinson's disease have identified mutations or defects in Complex I-IV of the ETC, α-synuclein, PARKIN, PINK1, DJ-1, and LRRK2 (139). A decrease in Complexes I and IV can develop quickly within the first year of Parkinson's (161, 162), and low levels of activity in platelet mitochondrial complexes I and II/III in early, untreated Parkinson's (163). Other key protein associations include, NADH CoQ reductase, key to Complex I dysfunction (154), coenzyme Q10, a key electron receptor in Complexes I and II of the mitochondrial ETC (164–166) and the neurotransmitter-degrading enzyme monoamine oxidase B (MAO) (167–169). Implicated in the pathogenesis of both Alzheimer's and aging in general, platelet MAO has been used as a peripheral biomarker for the onset of Alzheimer's and Parkinson's (170, 171). Also consistent with the association of oxidative stress induced mitochondrial damage and apoptosis with Parkinson's disease, levels of the oxidative protective protein methionine sulfoxide reductase type 2 (Msrb2) was recently shown to be reduced in platelets of Parkinson's disease patients leading to increased platelet apoptosis (119). Indeed, platelet mitochondria may serve as an important biomarker in PD. These neurodegenerative diseases once again demonstrate the essential nature of platelet mitochondria for survival as reduced function and damage either through genetic defects or environmental stress leads to apoptosis and premature platelet death.

With the importance of mitochondria in platelet function and the potential contributions of mitochondria dysfunction to aging (49, 130) and age-related diseases, such as diabetes mellitus (58, 93, 94), Parkinson's (51, 119), and cardiovascular disease (69), targeting platelet mitochondria may serve as adjunct therapies. Drugs targeting platelet mitochondria metabolism and apoptosis may help prevent pathological thrombosis and contributions to disease. The genomics and proteomics of the mitochondria (Figure 2) provide multiple potential targets as outlined in an excellent recent review by Fuentes et al. (172). However, selective targeting to platelets may require further coupling to platelet targeting agents.

Go to:

Conclusion

Mitochondria in nucleated cells have been well-described. While mitochondria functions are similar, its role becomes increasingly important in the nucleus-free zone of the platelet. As described in this review, not only are mitochondria involved in energy metabolism and ATP production in the platelets, they are also the central drivers of platelet activation and apoptosis; both events critical for platelet function and lifespan. The pathophysiological role played by platelet and their mitochondria in many systemic diseases remain under intense investigation. Therapies targeting platelet mitochondria may ultimately prove beneficial for such disease processes.

[장영임(남해)]

혈소판 기능에 대해 자세히 알 수 있네요...감사합니다!

[길형돈(경기)]

정말 대단한 원장님입니다. 논문 한편 쓰기가 보통 어려운 것이 아닌데 코로나 사태에 대응하고 의원을 운영하고 제반의 활동을 하면서 이런 류의 논문이 발표된다는 것에 경의를 표합니다.