全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 3期
2007年 6月
Vol. 19, No. 3
Jun., 2007
同源域蛋白Nanog与胚胎干细胞的自我更新研究进展
钱斓兰，徐海伟*
(第三军医大学生理学教研室，重庆 400038)
摘　要：胚胎干细胞作为一种具有自我更新能力的细胞，可以在体外无限对称性分裂，同时保持未分
化状态，具有向各种类型细胞分化的潜能。基于这一特性，胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES细胞)
有着极其广阔的应用前景。维持 ES细胞自我更新的机制至今尚未阐明，推测 ES细胞的自我更新机制
是一个包括细胞外刺激、细胞内多种因子共同参与的复杂的网络调节系统。近年来发现同源域蛋白
Nanog在这个网络调节系统中处于中心地位，对 ES细胞自我更新的维持起着关键作用。本文就近年来
关于 Nanog在 ES细胞自我更新维持中的作用，以及它与其他信号通路之间的对话，阐明 ES细胞自我
更新的维持机制。
关键词：N a n o g 蛋白；E S 细胞；LI F；O c t 4；S o x 2；自我更新；全能性
中图分类号：Q 8 1 3；Q 5 1　　文献标识码：A
Roles of homeodomain protein Nanog in the self-renewal
of embryonic stem cells
QIAN Lanlan, XU Haiwei*
(Department of Physiology, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)
Abstract: As a kind of cells with self-renewal property, embryonic stem (ES) cells have the capacity to undergo
indefinite symmetrical cell divisions while retaining the undifferentiating state and the potency to differentiate
into cells of all kinds. Due to this property, it is certain that ES cells will have a wide variety of application in the
future.The maintenance mechanism of self-renewal of ES cells hasn’t been fully made clear so far, it implied that
the self-renewal mechanism of ES cells was a complex regulative network system involving the co-participation
of various extrinsic stimuli and intrinsic factors of a cell.The newly discovered homeodomain protein Nanog plays
a key role in maintaining the self-renewal of ES cells, thus, it is vital to the regulative network system.This
review is intended to elucidate the mechanism of maintenance of self-renewal of ES cells, based on our current
understanding of the key role of Nanog in the maintenance of self-renewal of ES cells, and the crosstalk of Nanog
with other signal paths.
Key words: Nanog protein； ES cell；LIF；Oct4；Sox2；self-renewal；pluripotency
收稿日期：2007-01-31；修回日期：2007-03-12
基金项目：国家自然基金资助项目(30571770)
作者简介：钱斓兰( 1 9 8 6 —)，女，医学学士；徐海伟( 1 9 7 2 —)，男，博士，副教授，* 通讯作者，E -m a il：
haiweixu2001@yahoo.com.cn
文章编号 ：1004-0374(2007)03-0311-05
胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES细胞)来源
于哺乳动物囊胚期的内细胞群(inner cell mass, ICM)[1]。
ES细胞的重要的特性是具有自我更新能力，即在体
外能够无限对称性分裂，同时保持未分化状态，具
有向各种类型细胞分化的全能性。ES细胞易于基因
操作，经遗传改造、核转移和冷冻后仍能保持其全
312 生命科学 第 19卷
能性，有望成为组织工程和细胞移植治疗的种子细
胞，给帕金森综合征、脊髓损伤和糖尿病等的治疗
带来了希望。迄今为止，调节 ES细胞自我更新能
力的分子机制尚未明确。近年发现的一种同源域蛋
白Nanog，被认为处于维持ES细胞自我更新的细胞
外刺激、细胞内多种因子共同参与的复杂的网络调
节系统的中心环节。Nanog蛋白是一种有多样性的
同源域蛋白，尽管 Nanog基因与同源域蛋白中的
NKx家族成员有一定的同源性，但它缺乏NKx家族
中的一些特异序列[2]。Nanog参与维持 ES细胞自我
更新的通路完全独立于LIF/Stat3通路，是一种维持
ES细胞自我更新和全能性的全新通路。
1　Nanog的发现
2003年，在爱丁堡和日本的两家实验室同时发
现了Nanog蛋白。Chambers等[3]将敲除了白血病抑
制因子(leukemia inhibitory factor, LIF)受体基因的小
鼠 ES细胞放入小鼠成纤维细胞饲养层中培养，发
现了很多小的细胞克隆仍然能维持未分化状态 ，提
示除了成纤维细胞饲养层分泌的 LIF外，尚存在其
他维持 ES细胞自我更新的机制。于是，他们从 ES
细胞和小鼠成纤维细胞饲养层中建立 cDNA文库，
将文库cDNA转染LIF受体敲除的LRK1ES细胞株并
在无细胞因子的培养基内培养，发现有两个培养皿
中存在形状相似的处于未分化状态细胞，将纯化的
质粒DNA再次转染LRK1细胞，形成了具有自我更
新能力的ES细胞。这种新的 cDNA经测序为一新基
因， Chambers等[3]将其命名为Nanog基因。Mitsui
等[4]利用另一种方法也同样发现了 Nanog，他们先
利用差异显示的方法对小鼠ES细胞和其他体细胞系
的 EST文库进行比较，发现了一些在 ES细胞中特
异表达的基因，包括较早前发现的 Oct 4、ut f1、
rex1基因，用Northern blot分析发现了 9个尚未鉴
定的 ES细胞特异表达的转录因子，称其为 ecat(ES
cell associated transcripts)。利用超转染系统分别表
达以上基因，以鉴定这些 ecat是否具有独立于 LIF
而维持自我更新状态的性质，发现只有转入ecat4的
ES细胞具有自我更新能力，后来证实 ecat4就是
Nanog基因。
2　Nanog的时空表达
Nanog在小鼠胚胎发育早期的表达为：在早期
卵裂阶段没有明显的表达，Nanog mRNA最早在桑
葚胚阶段有所表达，囊胚期 Nanog的表达只限于
ICM，在滋养层中未见表达[5-6]。Nanog表达不足的
小鼠ES细胞会丧失自我更新能力和全能性，Nanog
基因沉默 5.5 d的胚胎不能分化出外胚层细胞和组
织[4]。ES细胞分化时，Nanog mRNA明显减少。
在 ES细胞集聚时，由于Nanog的表达受到 ES细胞
集聚的抑制，处于最外的一层细胞不论有无 LIF存
在都分化为原始内胚层样细胞，提示这一分化过程
和 LIF / Stat3、BMP4通路均无关，目前尚未阐明
ES细胞的集聚产生了何种因子抑制了Nanog的表达[7]。
在成熟组织中，无论是小鼠或人，Nanog的表达都
是低水平的，但在小鼠原始生殖嵴细胞(embryonic
germ cell, EG细胞)中大量表达，在人的未分化胚
胎肿瘤细胞株中也高水平表达。此外，Nanog基因
敲除杂合子 Nanog(+/-)相对于纯合子 Nanog(+/+)而言，
ES细胞更易出现分化。通过体细胞核移植技术，或
与 ES细胞融合，体细胞可激活重新编程而表现出
全能性。在这个细胞核重新编程的过程中，原本在
体细胞中不表达的 Nanog基因变得高表达，提示
Nanog基因的重新激活在细胞扩增和维持细胞全能
性中扮演了重要角色[6]。Silva等[8]也报道了Nanog基
因表达的激活能促进细胞融合后全能性的转变这一
类似的结果。他们将 ES细胞与神经干细胞(neural
stem cells, NS 细胞)融合，结果 Nanog表达上调，
并促使基因组的重编程，细胞回到全能性的状态
(state of pluripotency)。生殖细胞(germ cell)是负责
世代间遗传信息传递的，在生殖细胞的发育中，其
外遗修饰会被彻底的重新编程。在胚胎发育阶段，
PGCs(primordial germ cells)呈指数增长，而且其亲
代印记会被抹去。研究发现小鼠生殖细胞中有相当
数量的Nanog基因的表达。采用免疫细胞化学分析
可以清楚地观察到抗Nanog的抗体结合到了早期生
殖腺的PGC上，提示Nanog可能参与了细胞生长的
调节和基因组的外遗重编程[ 9]。最近，研究发现
Nanog在一些癌细胞中也有表达，如原始生殖细胞
瘤、MCF7、骨肉瘤等[10-11]。鉴于癌细胞与 ES细
胞间均具有无限增殖及保持低分化状态的特征，提
示Nanog可能是调节细胞全能性与自我更新的关键
因子。
3　在 ES细胞中Nanog的作用机制
3.1　Nanog的上游的调控因子　LIF/Stat3通路是公
认的维持小鼠ES细胞自我更新能力的重要信号途径[12]，
但Nanog可以不依赖于LIF/Stat3通路而维持小鼠ES
细胞的自我更新，Nanog与 LIF/Stat3通路之间的关
系如何呢？ Chambers等[3]认为，Nanog参与调控细
313第 3期 钱斓兰，等：同源域蛋白 Nanog与胚胎干细胞的自我更新研究进展
胞自我更新功能的发挥是依赖于Oct4的，尽管它们
在维持ES细胞自我更新的过程中发挥着各自不同的
作用，但却存在着相互依赖的作用方式 。研究发
现，由Oct4过表达所引起的小鼠 ES细胞的分化与
缺乏 LIF刺激时所引起的分化类似，提示，可能存
在着这样一个因子，在 LIF信号通路的作用下，它
可以达到最大活性，这个因子的过表达可以减弱由
于Oct4过表达所带来的细胞分化[13]。进一步研究证
实，这个因子可能就是Nanog[14]，即Nanog是 LIF
的下游分子，当Stat3结合到Nanog基因上的增强子
元件时，Nanog的表达增加[15]。Chambers等[3]也发
现当Nanog过表达和LIF同时存在时，小鼠ES细胞
能得到最大程度的自我更新。这也支持LIF/Stat3通
路可以激活Nanog的假说(图1)。但这一假说在人ES
细胞中似乎并不成立，因为人 ES细胞的自我更新
并不需要LIF的参与，暗示Nanog在人和小鼠ES细
胞中发挥作用的途径，尤其是与 LIF间的相互关系
是不尽相同的。
除了 LIF通路，调控Nanog表达的重要分子为
Oct4与 Sox2。Oct4和 Sox2的抗体可以从 ES细胞
的染色质中免疫沉淀出 Nanog的启动子[16-17]，然
而，Nanog似乎不能被Oct4或 Sox2单独正向调节。
当缺失Oct4时，Sox2不能有效地结合到Nanog的
启动子上。对Nanog的顺式作用元件进行分析，发
现在Nanog转录起始位点上游约 300 bp的位置上定
位了一对邻近的Octamer和 Sox元件。在电泳迁移
率变动分析中，发现 Oct4结合到了 Octamer元件
上，Sox2结合到了 Sox元件上，提示Oct4与 Sox2
间的协同作用对促进Nanog表达起到了重要作用。
无论是在小鼠或人 ES细胞中，这一协同作用都是
存在的 。然而，也有研究显示，具有杂合子Oct4(＋ /－)
的囊胚仍表达了Nanog mRNA[3]。在电泳迁移率变
动分析中所形成的复合物不能被Oct4和Sox2解释，
这个复合物，甚至可以在缺乏Sox2的时候形成[16-17]，
提示Oct4对Nanog的表达并非必需，Nanog启动子
上的其他位点可能对 Nanog的表达也起了等同于
Sox2或Oct4的调节作用。当然，这种不同结果的
另一个解释也可能是由于所用的Nanog DNA探针不
同，提取胞核的方法不同，或是所用的 ES细胞株
的差异造成的(图 2)。
有学者认为，在控制 ES细胞全能性与自我更
新时，Oct4、Nanog、FoxD3之间形成了一个负
反馈调节环路[18] ：即 Oct4直接作用于 Nanog，以
维持它在一个亚稳定状态的浓度，而不会让它达到
或超过稳定状态的水平；同时FoxD3可以抑制Oct4
对Nanog的这种效应；FoxD3和Nanog可以促进Oct4
的表达，而Oct4的过表达会自身反馈抑制，这样，
在Oct4、Nanog、FoxD3之间形成了一个相互依赖
的调节网络以维持 ES细胞的自我更新能力。
其他发现的控制Nanog表达的上游因子还有：
转录因子Sp1和Sp3可以特异地结合到Nanog基因5-
侧翼序列上，对激活Nanog启动子有重要作用，而
图1　Nanog与LIF信号转导通路之间的关系
注：LIF与 LIFR结合，通过 JAK激活 Stat3，Stat3再作用于下游分子而实现信号传递，激活的 Stat3还可以结合到Nanog
基因的增强子上，引起 Nanog的过表达，从而减弱由于 Oct4过表达所带来的细胞分化
314 生命科学 第 19卷
Sp1的过表达或Sp3的突变都会造成Nanog启动子的
激活受限[19]。转录因子 Tcf3可以抑制 Nanog的转
录，从而限制ES细胞的自我更新[20]。Nanog与Sall4
协同作用，可以激活Nanog和 Sall4的增强子，促
进两者的表达，形成一个类似于Oct4和 Sox2的调
节环路 [ 21 ]。
3.2　Nanog的下游的信号分子　Mitsui等[4]认为
Nanog可能直接抑制GATA6的表达从而抑制ES细胞
的分化，G A T A 6 和 G A T A 4 都促进细胞分化，
GATA6可能是GATA4的上游分子。但另一些关于
Nanog靶基因的资料显示，对于靶基因，Nanog究
竟是激活因子还是抑制因子尚不能肯定，或许它同
时兼有两种作用[22]。
在研究 Polycomb对人类 ES细胞的发育调控时
发现：ES细胞在维持全能性时，PRC2 (Polycomb
Repressive Complex2)是转录抑制的，ES细胞分化
时，PRC2的靶基因会被优先激活，而Oct4、Sox2、
Nanog共占据了这些靶基因上的重要位点[23]。
Nanog与 BMP通路间也有一定的 crosstalk：
Nanog可以与 Smad1相互作用，并干扰辅激活蛋白
的募集，妨碍 Smad转录复合物的激活，从而阻止
BMP所介导的 ES细胞的分化[15]。
Rex-1是 ES细胞的标记物之一，Nanog可以通
过直接与其结合来激活 Rex-1的启动子[24]。敲除
Nanog会造成 Rex-1的表达减少。另外，Sox2可以
协同Nanog使 Rex-1表达上调。
在人类 ES细胞中，GAS家族(growth arrest-
specific family)有不同程度的表达，GAS2L1和
GAS3的转录似乎可以被Oct4、Sox2、Nanog调节，
而GAS5和GAS6却不能[25]。
4　结语
总之，ES细胞全能性和自我更新的维持是依
赖于细胞中复杂的、多因子参与的网络，Nanog、
Oct4、Sox2等在这个网络中占有核心地位。长时
间以来，ES细胞的应用面临着免疫排斥和伦理学的
障碍，如果我们对维持 ES细胞自我更新而不分化
的核心因子能有更深入的了解，可以设想，或许我
们可以通过基因修饰的方法，将终末分化的体细胞
转化为具有多分化潜能的干细胞。最近，Takahashi
和Yamanaka[26]向小鼠的成纤维细胞中转入了四个因
子(从 28个候选基因中选出)，成功地将成纤维细胞
诱导成为了多能干细胞。出人意料的是，这四个因
子分别是 Oct3/4、Sox2、c-Myc、KIf4，而没有
Nanog。可是，我们不能就此否认 Nanog在 ES细
胞中的重要地位。首先，众多研究结果是支持与肯
定Nanog在维持ES细胞全能性与自我更新中的重要
作用的；其次，可能介导分化细胞转化为多能干细
胞的分子途径不止一条，不同分子间构成的不同调
节网络都可以将分化细胞引导向低分化 /未分化状
态，而 Oct3/4、Sox2、c-Myc、KIf4只是其中的
一种组合，但Nanog仍可以作为一个有很好应用潜
力的分子。因此，我们需对 Nanog的表达调控及
其作用靶点等一系列信号网络系统做更深入的研
究，这样，我们才能更好地理解 ES细胞的自我更
新与全能性，更好地应用 Nanog，解决目前 ES细
胞应用中所存在的诸多问题。
[参　考　文　献]
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Cell杂志发表上海生命科学研究院最新研究成果
脑是一个复杂的系统。在胚胎发育过程中，大量的神经细胞是依靠什么样的机制来协调它们的运动
迁移并排列组合成有序的组织结构，一直吸引着研究者们浓厚的兴趣。2007年 4月 19日，国际生物学权
威期刊 Cell在线发表了中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所在这一方面的一项新发现。
由神经科学研究所研究员蒲慕明、袁小兵联合指导的研究生管沉冰等经过五年的潜心研究，发现高度
极性的神经细胞在定向迁移过程中，需要一种长距离的细胞内信号传递过程，协调神经细胞的不同部位对
外界导向信号的反应。他们观察到，迁移神经细胞前方的生长锥是“侦查”前方信号的部位，在自发
迁移的神经细胞前方遭遇排斥性的神经导向因子 Slit时会发生显著的躲避反应——生长锥首先 “撤退”，
然后胞体停止前进，并调转方向，最终细胞朝相反方向逃逸而去。在这个过程中，会发生一个长距离的
细胞内钙波“通讯”，首先是 S l i t 在生长锥内“点燃”钙离子“烽火”，紧接着是钙离子“烽火”
从生长锥传递到后方的胞体，通知胞体前方的“敌情”，进而通过调节胞体部位的一种小分子GTP酶RhoA
的活性和分布，使细胞体掉头向后“撤退”。正是这个钙波信号协调了运动中的神经细胞各部分对外界
排斥性因子 Slit的逃避反应。目前已知多种发育性神经系统疾病是由于神经细胞迁移紊乱造成的，患者常
表现出智障、癫痫等症状。因此，对神经细胞迁移导向基本机制的研究将有利于人们对这类发育性神经
系统疾病的认识和防治。
摘自 http: //www.sibs.ac.cn
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