CK2核内移行により形成されたCK2複合体が細胞周期特異的な遺伝子発現ネットワークを活性化する

細胞周期進行の時系列に分けて解析した生化学的プロテオミクス解析技術(*)や、分子生物学的手法である CK2-ChIP-Seq 解析(*)により、CK2 がリクルートされるゲノム上の特定遺伝子座(gene locus)を同定し、CK2 分子がエピジェネティック(*)な転写調節に関与する可能性を世界で初めて示すことに成功しました。近年、PKC, ERK, CDK11 等、複数のプロテインキナーゼが細胞分化のプロセスや増殖因子等の外部刺激により核内へ移行し、ゲノム機能を直接コントロールすることが報告されていますが、ヒト正常細胞において細胞周期進行と関連する詳細な解析は本研究が初めての報告となります。図2に、細胞周期進行の DNA 合成期へ入る直前 G1 後期の CK2 を取巻くタンパク複合体を分離した後、プロテオミクス解析により同定して機能解析を行った結果を示しています。新生 RNA 成熟や遺伝子発現と関連する分子群やタンパク合成へ繋がるシグナル分子群(EIF2 signaling)であることが明らかになりました(図2上段)。さらに CK2-ChIP-Seq データから抽出されたゲノム遺伝子座について機能解析した場合も、遺伝子発現ならびにタンパク合成に関連する分子群の遺伝子座へ CK2 がリクルートされることが示されました(図2下段)。  

CK2 がリクルートされるターゲット遺伝子の一つであるヒストンは核内 DNA を機能的に格納する“ヌクレオソーム(*)”単位の主構成要素であり、DNA 複製前には複数種類のヒストンタンパク質を増産する必要があることが知られています。CK2 はヒストン遺伝子の転写促進に関与することが示唆されました。また、細胞周期進行に伴い遺伝子発現が変化する遺伝子群と照合すると、増殖期に増大する上位遺伝子群と CK2-ChIP-Seq 解析から得られた遺伝子座はほぼ一致し、ヒストン遺伝子座以外にも増殖関連遺伝子の一部の遺伝子座にも CK2 がリクルートされることを CK2-ChIP-qPCR 法によっても証明しました。なお、本論文では CK2-ChIP 解析をより詳細に検証する目的で、CRISPR-Cas9 システムを用いて CK2遺伝子をノックアウトした細胞を独自に樹立し解析に活用しました(図3)。  CK2-ChIP-Seq データから CK2 リクルートメントは数個の遺伝子座だけではなくゲノム全体にわたることが示されたことから、細胞周期 G1 後期におけるゲノム上の CK2 分布全体像について、バイオインフォマティクス手法により相関係数を用いた階層的クラスタリングを行いました。DNA から mRNA への転写が活発に行われるアクティブな遺伝子領域についてのマーカー（RNA ポリメラーゼ II, H3K4 トリメチル, H3K27 アセチル等）、ならびに mRNA 転写が抑えられ不活性な遺伝子領域マーカーと比較するとCK2 は前者グループと似た分布を示すことが分りました。この結果から CK2 は活発な遺伝子発現が行われるゲノム領域へリクルートされることが明らかとなりました（図4）。  先行研究で得られた癌組織での CK2 核小体集積の知見については、そのメカニズムを解明する目的で、今回得られた CK2-ChIP-Seq データと、核小体機能に関して DDX21 分子のゲノム機能に関する既報デ ータを基にバイオインフォマティクス解析を行いました。核小体内にはリボソーマル遺伝子(rDNA)数百コピーが格納されていて精密な転写制御と順序だった RNA 成熟課程を経て細胞活動に必須なタンパク合成装置リボソームが産生され、いわば生命活動の根幹を担う生物機能の司令塔としても重要な役割を果たしていることが知られています。その一方で一部の rDNA しか転写されない等、高等生物においては未解明な部分も多い遺伝子です。今回の解析の結果、CK2 は rDNA 遺伝子座のプロモーター近傍へもリクルートされることが確認され, その遺伝子発現へ関与することが明らかとなりました。さらに核小体に局在するとされる RNA ヘリカーゼ DDX21 等の、クロマチンリモデリング因子と呼ばれるゲノム機能の動的変化へ関与する複数のタンパク群と CK2 が核内で相互作用することを、プロテオミクス解析、ならびに抗 CK2 抗体免疫沈降実験により検証しました。これまでにプロテオミクス解析により子宮頸癌由来Hela細胞の核小体精製画分中に CK2 を検出した報告がなされた他、AKT-CK2 シグナル活性化による RNA Pol I 関連転写因子”TIF-IA”のリン酸化が報告されています。本研究で、CK2 が核小体機能と関連する従来の知見へ分子生物学的な観点から検証を行った結果、CK2 が rDNA プロモーター近傍に作用し複数種類の核小体タンパクと相互作用し連携する可能性を示しており、rDNA 遺伝子発現の仕組みの一端をより詳細に明らかにすることが出来たと考えられます。