同源盒轉錄因子-NANOG

日期：2019-10-21 16:56:04

胚胎干細胞(embryonic stem cells, ES cells)是從囊胚期內細胞團(inner cell mass, ICM)分離得到的，在體外具有無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內環境，ES細胞都能被誘導分化為機體幾乎所有的細胞類型。鑒于此種特性, ES細胞在臨床上具有極其廣闊的應用前景。想要將ES細胞成功的應用于臨床，必須解決的首要問題是胚胎干細胞是如何實現自我更新及定向分化的。

自從1981年Evans和Kaufman首次成功分離小鼠ES細胞，關于ES細胞的研究一直是研究領域重點及熱點。Nanog是2003年5月發現的同源盒轉錄因子，是一個有助于ES細胞自我更新的關鍵因子，被認為在ES細胞的全能性維持中起關鍵作用，在未分化的胚胎干細胞中表達量較高，在分化的胚胎干細胞中表達量較低。它在維持胚胎干細胞的早期胚胎的多功能并阻止其向內胚層分化中發揮十分重要的作用。十年來，關于NANOG的研究層出不窮，關于其結構、功能、作用機制和相關疾病等方面的研究也取得了重要進展。

1. NANOG的結構

2. NANOG的功能

3. NANOG作用機制

NANOG與干細胞自我更新和多能性維持
NANOG與腫瘤發生發展

4. NANOG與腫瘤發生發展

1. NANOG的結構

目前對Nanog基因研究較多的是小鼠和人源Nanog基因。這里著重介紹下人源Nanog。人源Nanog基因，通常寫成Nanog1（Gene ID：13376297），位于12號染色體上，由4個外顯子和3個內含子組成，具有915 bp的開放閱讀框（ORF）（Figure 1）^[1]。非常獨特的是，在進化過程中，Nanog1基因已被串聯復制成變異基因Nanog2（NanogP1），以及許多假基因（NanogP2-P11）^{[2] [3]}。比較人類和黑猩猩基因組序列發現，Nanog2保留了其內含子序列，而NanogP2至P11是分散的，無內含子和逆轉錄的整合子^[4]。

Figure 1. The Structure of Nanog Gene

人源Nanog蛋白是由Nanog1基因編碼，包含305個氨基酸和高保守的DNA同源結合區域。Nanog1蛋白結構可大致分為3個區域（Figure 2），一是N端“干擾”域（ND），二是結合DNA的同源域（H），三是C端轉錄激活域組成。H區含60個氨基酸殘基，可與蛋白質相互作用及與DNA(如Oct4)結合；ND區有95個富含絲氨酸和蘇氨酸的殘基，且在反式作用子中發現酸性殘基；C端區含150個氨基酸殘基，無明顯的轉錄激活基序，該區域包含2個亞域（CD1和CD2負責反式激活）和一個富含色氨酸的域（WRD）參與二聚化^[5]。

Figure 2. The Structure of Nanog Protein

2. NANOG的功能

Nanog主要在胚泡的內細胞團(inner cell mass, ICM)中表達^[6]。相關研究表明^[7][8]，Nanog基因表達與細胞的分裂、分化情況以及細胞的干細胞特性密切相關。在分裂旺盛的細胞中，Nanog基因高表達，而隨著細胞分化程度的加深Nanog基因的表達量逐漸降低，直至在完全分化的細胞中不表達。所以，深入研究成體組織中Nanog的表達情況有利于了解成體干細胞的分子生物學特性及其分裂分化機制。

Nanog是2003年才正式鑒定并命名的新基因，在胚胎發育中內細胞團的細胞命運調控方面扮演重要角色，它能維持外胚層的多能性并且能阻止其像原始內胚層的分化。除了維持胚胎干細胞的自我更新和多能性外，Nanog還可以調節ESC的細胞周期。相關報道表明，具有超表達的Nanog的ESC克隆加速了S期進入^[9]。此外，Nanog的另外一個功能是在腫瘤發生發展中扮演重要角色，可作為腫瘤診斷標志物。這兩個功能將會在作用機制中分別通過與胚胎干細胞和癌癥干細胞的關系進行詳細闡述。

3. NANOG作用機制

如前所述，NANOG在干細胞自我更新和多能性維持及腫瘤發生發展中至關重要。這里，我們分別從NANOG在干細胞和癌癥干細胞中的作用及相關聯的互作蛋白對這兩個機制進行了闡述。

3.1 NANOG在ESCs中的作用機制

ESC（胚胎干細胞）是胚泡期胚胎的ICM（內部細胞團）衍生的多能細胞。該細胞具有兩個獨特的特性：無限的自我更新和多能性。ESCs的自我更新和多能性受多種轉錄因子的控制，其中最常見的是Nanog、Oct4和SOX2。這部分我們重點闡述了NANOG在ESCs中表達調控。

Nanog表達調控僅存在多能細胞中，多能細胞分化后Nanog表達下調。Guangjin Pan等人通過分析Nanog5啟動子區域，發現上游180 bp處的轉錄起始位點-Oct4/Sox2復合結構域在Nanog表達調節中起重要作用（Figure 3）^{[10] [11]}。含有Oct4/Sox2結構域的Nanog近端啟動子可驅動報告基因在多能和非多能細胞中適當表達Nanog，而且該結構域在小鼠、大鼠和人之間高度保守。雖然Nanog高表達有利于ESCs自我更新，但Oct4過表達會誘導分化。FoxD3是一個叉頭家族轉錄因子，在小鼠ES細胞和早期胚胎的多能細胞中高度表達^[12]。有報道稱FoxD3可與上游270bp處的ESC特異性增強子結合，從而激活Nanog啟動子^[13]。一開始，研究者們稱FoxD3為轉錄阻遏物，但它仍可以激活Nanog轉錄，這也表明基因環境可以決定FoxD3調控結果。

從功能上來說，Nanog可以阻止分化，在胚胎發育過程中需要下調Nanog來促進分化。如Figure 3所示，腫瘤抑制因子p53可以與Nanog啟動子結合，可在ES細胞分化過程中下調Nanog。但是，當用視黃酸（RA）處理p53-/-ESC時，Nanog在分化過程中仍被下調^[14]。這個結果表明ESC分化過程中肯定存在其他調控因子抑制Nanog。Tcf3是在Wnt途徑下游起作用的轉錄因子，在未分化的小鼠ESC中高度表達。小鼠ESC中Tcf3敲除可引起分化延遲，上調Nanog ^[15]。

Figure 3. Regulation of Nanog Expression

3.2 NANOG與腫瘤發生發展

自從首次在急性髓性白血病中發現癌癥干細胞（Cancer Stem Cell，CSC）后，我們對癌變的認知從根本上發生了改變^[16]。癌癥干細胞，又稱腫瘤干細胞，是指具有干細胞性質的癌細胞，包括“自我復制”以及“多細胞分化”能力。通常這類的細胞被認為有形成腫瘤，發展成癌癥的潛力，特別是隨著癌癥轉移出去后，產生新型癌癥的來源。相關研究已證實，NanogP8，腫瘤細胞中Nanog1同源物，在調節CSC特性中起關鍵作用。腫瘤細胞中NANOG的過表達可通過相關信號傳導途徑對一些重要癌癥表型產生影響（Figure 4），包括細胞增殖、細胞遷移與侵襲、耐藥性和缺氧應激。

如Figure 4所示，NANOG可由惡性腫瘤中多種刺激因素激活。低氧環境下，NANOG可由HIF-1α或HIF-2α信號通路作用激活^[17]。STAT3作為 NANOG下游的靶點，在NANOG介導的免疫逃逸、上皮間充質轉化和耐藥性中扮演重要角色。而且，NANOG還能夠通過活化Akt和TGF-β1調節抵抗CTL介導的裂解作用，同時募集Treg細胞^[18]。另外，NANOG可通過上調MDR-1、IGF2BP3和YAP1調節耐藥性^[19]。此外，NANOG還可以對多個細胞周期調節因子產生影響，其中cyclin D1已被證實直接受NANOG調節^[20]。

Figure4. NANOG signaling pathways in human malignancies

4. NANOG與癌癥

如前所述，Nanog不僅是維持ESCs自我增殖和亞全能性的關鍵因子，而且與腫瘤的關系也不簡單。因為CSCs和ESCs一樣，都具有自我增殖更新能力，而且有多條相同的信號通路。基于此，研究者們推測對Nanog基因的表達調控機制的深入研究有助于探索控制和治療癌癥的新方法^[21]。

目前，多項研究已證實Nanog在多種上皮來源的腫瘤細胞、體外培養的腫瘤細胞及異體移植物等都有不同程度的表達，且在腫瘤的表達高于正常組織。Nanog在胚胎瘤細胞、畸胎瘤組織、睪丸原位癌及精原細胞瘤中特異性表達，而正常睪丸中未見Nanog表達^[22]。Siu等人發現Nanog在絨毛膜癌細胞中的表達水平顯著高于正常胎盤，并且干擾Nanog表達可導致絨毛膜癌細胞系JEG-3凋亡增強^[23]。在乳腺癌、膠質瘤、膀胱癌、肺癌及人肉瘤細胞系等體細胞腫瘤中同樣發現有Nanog表達，而且腫瘤分化級別越高，其表達越強。另外，沉默Nanog基因可導致細胞周期阻滯，抑制腫瘤發展，同時可誘導腫瘤細胞分化^[24]。這些研究結果充分表明，Nanog基因的表達與腫瘤分化狀態密切相關，在促進腫瘤細胞的發生發展以及抗凋亡方面具有重要作用，可作為細胞全能性和腫瘤診斷的標志物。

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