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胚胎干细胞的特性包括无限增殖能力和亚全能性，因此决定了它在再生医学, 新药开发以及发育生物学研究中巨有广阔的应用前景。近年来，探索维持胚胎干细胞亚全能性的因子及其网络的调控功能成为胚胎干细胞生物学研究的热点。已研究发现多个与维持胚胎干细胞亚全能性相关的基因如NANOG, OCT4, SOX2等，2003年Mitsui和Chambers等在研究胚胎干细胞 (embryonic stem cells, ESCs) 时发现了一种新的多能干细胞转录因子，起初称为 Ecat4 (ES cell associated transcripts 4) ，随后统一命名为Nanog【1,2】。Nanog能够不依赖于LIF (leukemia inhibitory factor) /STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3）参与调控胚胎干细胞自我更新和多能性维持【3】。早期研究认为Nanog只在多能性干细胞中表达，在成体组织中不表达。然而最近研究发现Nanog在某些肿瘤细胞中也有高表达。由于肿瘤细胞与干细胞具有许多相似性，据此推测Nanog可能在肿瘤发生发展中也起着重要的作用。研究NANOG 如何发挥其生物学功能显得至关重要。
2022年4月28日，来自美国贝勒医学院Josephine 和 Allan Ferreon团队与德克萨斯大学休斯敦健康科学中心麦格文医学院的李文博团队合作在Nature Cell Biology 杂志上发表了文章 NANOG prion-like assembly mediates DNA bridging to facilitate chromatin reorganization and activation of pluripotency。这项研究揭示了NANOG 可以形成寡聚体进而调节基因组内DNA-DNA 元件之间的交互作用, 从而调节了染色体重塑和细胞多能性的激活。
Ferreon课题组长期致力研究内源无序蛋白（intrinsic disorder proteins）的功能和在疾病中的作用。李文博课题组过去几年专注于阐述增强子，增强子RNA和三维基因组的作用机制和在疾病中的作用。在这篇文章中，两个课题组首先利用体外生物化学实验研究了NANOG包含的不同结构域 , 发现在其195-240氨基酸位置的色氨酸重复区域（tryptophan Repeat结构域也称为WR，其含有八个紧邻的色氨酸）对NANOG寡聚体的形成至关重要 。
Ferreon 团队利用 smFRET (Single molecule fluorescence (or Förster) resonance energy transfer) 发现NANOG能够利用其DNA结合区域结合DNA，两个NANOG蛋白形成寡聚合体进而把每个单体结合的DNA元件在纳米尺度拉到一起 ，但是WR结构域突变 (W8A) 使NANOG丧失该功能, 尽管这项技术可以很灵敏的检测是否NANOG通过形成聚合体把DNA元件拉到一起，但这只是体外实验。在体内是否也存在该机制呢？
从体内的角度上，李文博团队利用Hi-C 3.0 和 NANOG ChIP-Seq 等高通量测序技术去验证这一机制在细胞内是否也存在。通过NANOG WT 和WR 结构域突变 (W8A) ChIP-Seq 分析, 发现WR结构域的突变会干扰NANOG 在基因组上的结合，有意思的是研究人员发现WR 结构域突变 (W8A) 特异的结合位点富集CTCF和BORIS/CTCFL等绝缘结构蛋白的motif。但是对于只有野生型NANOG结合的基因组位点，以及野生型和WR突变体 (W8A) 都结合的位点，可以观察到NANOG显著富集。这些结果暗示了野生型NANOG通过结合传统的DNA motif的方式结合原本并不具备较高H3K27ac的染色质区域。W8A突变体也许丢失了直接结合DNA motif的能力，通过间接方式结合DNA区域（比如被其他转录因子或者表观调节因子招募），并倾向于结合原本就已高度活跃的H3K27ac高丰度区域 。
同时研究人员利用Hi-C3.0的方式进一步验证在三维基因组水平上NANOG如何调节DNA-DNA间的相互作用。Hi-C 3.0是传统Hi-C的改良版【4】，通过该技术可以定量不同DNA片段之间的交互作用强度。正如我们所知，在细胞核内染色体的折叠是高度有序的，不同的染色体占据不同的区域，大体上，通过Hi-C对DNA间相互作用的分析可以把染色质分成两个不同状态的区域，称为A区室（A compartment，基本重合常染色质区）和 B区室（B compartment，基本重合异染色质区），这些区域包含许多拓扑结构域 (TADs)，而在更小的尺度上DNA loops 构成了拓扑结构域的基本单元【5】。研究人员利用Hi-C 3.0系统比较了NANOG 野生型和NANOG WR结构域的突变体 (W8A) 如何影响这几个尺度上的三维基因组，分别是A/B compartments， TADs 以及DNA loops。发现 NANOG 野生型或者W8A突变体基本不会区别化的影响A/B compartments 和 TADs ，但是会定量的干扰DNA loops ，尤其是连接NANOG结合位点DNA的长距离DNA loops。
该文章利用多种体外的生物化学和生物物理学技术研究NANOG的寡聚体以及与DNA的结合，包括smFRET 和FCCS等。同时也利用了高通量的体内测序技术 (比如Hi-C 3.0 和 ChIP-Seq)，从多个方向揭示了NANOG可以形成寡聚体调节DNA-DNA元件之间的交互作用，加深了我们理解NANOG如何扮演重塑染色体从而调节细胞多能性的重要角色。
Kyoung-Jae Choi 和 My Diem Quan (贝勒医学院Josephine 和 Allan Ferreon组) 和齐创业（李文博组）是本论文的共同第一作者。Josephine Ferreon和李文博老师是共同通讯作者。Ferreon组和李文博组目前都有博后职位空缺。对于李文博组的空缺，欢迎有志致力于增强子，三维基因组和表观遗传研究的同学加盟。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-022-00896-x
参考文献
1. Chambers, I., Colby, D., Robertson, M., Nichols, J., Lee, S., Tweedie, S., and Smith, A. (2003). Functional expression cloning of Nanog, a pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells. Cell 113, 643-655.
2. Mitsui, K., Tokuzawa, Y., Itoh, H., Segawa, K., Murakami, M., Takahashi, K., Maruyama, M., Maeda, M., and Yamanaka, S. (2003). The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells. Cell 113, 631-642.
3. Matsuda, T., Nakamura, T., Nakao, K., Arai, T., Katsuki, M., Heike, T., and Yokota, T. (1999). STAT3 activation is sufficient to maintain an undifferentiated state of mouse embryonic stem cells. The EMBO journal 18, 4261-4269.
4. Lafontaine, D.L., Yang, L., Dekker, J., and Gibcus, J.H. (2021). Hi‐C 3.0: improved protocol for genome‐wide chromosome conformation capture. Current Protocols 1, e198.
5. Pombo, A., and Dillon, N. (2015). Three-dimensional genome architecture: players and mechanisms. Nature reviews Molecular cell biology 16, 245-257.
6. De Wit, E., Bouwman, B.A., Zhu, Y., Klous, P., Splinter, E., Verstegen, M.J., Krijger, P.H., Festuccia, N., Nora, E.P., and Welling, M. (2013). The pluripotent genome in three dimensions is shaped around pluripotency factors. Nature 501, 227-231.
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