CK2α与CK2α'基因敲除对胰腺α细胞基因表达的差异性调控研究

《Biological Research》：Gene expression changes in pancreatic α-cell lines following knock-out Of either CK2α or CK2α’

本研究通过CRISPR/Cas9技术构建CK2α和CK2α'敲除的胰腺α细胞模型，利用RNA-seq技术系统分析两种催化亚基缺失对基因表达谱的差异化影响。研究发现CK2亚基缺失导致数百个基因表达异常，特别是神经发育和胰腺分化相关基因，揭示了CK2α/α'在转录调控中的独特功能和协同作用，为理解蛋白激酶CK2的亚基特异性功能提供了新视角。

　　

在细胞信号转导的复杂网络中，蛋白激酶CK2（Casein Kinase 2）作为一个多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶，长期以来被认为是细胞增殖和存活的关键调节因子。这种激酶以异四聚体形式存在，由两个催化亚基（CK2α和CK2α'）和两个调节亚基（CK2β）组成，但令人困惑的是，这两种高度同源的催化亚基在生物体内的功能分工至今尚未明确。特别是在胰腺α细胞中，CK2如何通过其不同亚基调控基因表达网络，进而影响葡萄糖稳态维持机制，成为领域内亟待解决的科学问题。

以往的研究大多使用激酶抑制剂来探讨CK2的功能，但这些抑制剂往往同时靶向两种催化亚基，无法区分它们各自的特异性作用。随着基因编辑技术的突破，研究人员现在能够精确敲除特定基因，为解析CK2各亚基的独立功能提供了新的技术路径。在此背景下，Mayer等人在《Biological Research》上发表了最新研究成果，通过构建CK2α和CK2α'单独敲除的细胞模型，系统阐明了这两种催化亚基在转录调控中的独特贡献。

研究人员采用多种关键技术方法开展本研究：利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建CK2α（KO1）和CK2α'（KO2）敲除的胰腺α细胞系；通过Western blot验证蛋白表达；使用RNA-seq进行转录组测序；采用DESeq2进行差异表达分析；通过STRING和PANTHER数据库进行生物信息学功能富集分析。

Verification of CK2α and CK2α' knock-outs

通过Western blot分析证实，CK2α和CK2α'在相应的KO细胞系中被成功敲除。有趣的是，在野生型细胞中，CK2α的表达量是CK2α'的三倍。两种敲除细胞系都显示出CK2β亚基表达的下调，KO1和KO2细胞中CK2β分别降至50%和65%，表明CK2亚基的 stoichiometry（化学计量学）平衡被破坏。细胞增殖实验显示敲除细胞生长速度减缓，CK2激酶活性测定表明KO1和KO2细胞的活性分别降至野生型的45%和55%。

Deregulated gene expression in aTC1 cells with CK2α or CK2α' knock-outs

RNA-seq分析显示，与野生型相比，KO1细胞中有266个基因下调、153个基因上调，而KO2细胞中有233个基因下调、84个基因上调。值得注意的是，两种敲除细胞系共享67个共同下调基因和25个共同上调基因。主成分分析和热图显示三种细胞系的基因表达谱明显分离，表明CK2α和CK2α'缺失引发了独特的转录组重编程。

Functional differences and similarities of genes deregulated in KO1 and KO2 cells

生物信息学分析揭示了CK2亚基功能的特异性和重叠性。CK2α缺失主要影响神经系统发育相关基因，如突触组装（GO:0051963）和神经发生（GO:0022008）等通路。相比之下，CK2α'缺失则富集在化学突触传递（GO:0007268）和分泌调控（GO:1903530）等过程。两种亚基共同调控多种蛋白类别，包括细胞粘附分子、转录因子和离子通道。

特别值得关注的是，研究发现多个与胰腺功能相关的基因表达发生改变，包括Hnf1α（Hepatocyte Nuclear Factor 1 alpha）、Pax2（Paired box 2）、Rfx6（Regulatory Factor X6）等转录因子，以及离子通道Kcnk16（TALK-1）和生长因子Bmp2（Bone Morphogenetic Protein 2）。Western blot验证显示Hnf1α蛋白在KO2细胞中显著下调，这与转录组数据一致。

研究结论强调，CK2α和CK2α'在调控基因表达中既发挥独特功能又存在协同作用。这些发现不仅深化了对CK2激酶亚基功能特异性的理解，还为相关疾病机制研究提供了重要线索。例如，CK2α突变引起的Okur-Chung神经发育综合征（OCNDS）和CK2β突变导致的Poirier-Bienvenu综合征（POBINDS）都与神经系统功能异常相关，本研究发现的神经发育相关基因失调为这些疾病的分子机制提供了潜在解释。

该研究的创新性在于首次系统比较了CK2两种催化亚基在转录调控中的分工，揭示了它们在神经发育和胰腺功能维持中的特异性作用。这些发现为靶向CK2特定亚基的精准治疗策略开发奠定了理论基础，对未来代谢性疾病和神经系统疾病的研究具有重要启示意义。