The promyelocytic leukemia (PML) protein organizes PML nuclear bodies (NBs), which are stress-responsive domains where many partner proteins accumulate. Here, we clarify the basis for NB formation and identify stress-induced partner sumoylation as the primary NB function. NB nucleation does not rely primarily on intermolecular interactions between the PML SUMO-interacting motif (SIM) and SUMO, but instead results from oxidation-mediated PML multimerization. Oxidized PML spherical meshes recruit UBC9, which enhances PML sumoylation, allow partner recruitment through SIM interactions, and ultimately enhance partner sumoylation. Intermolecular SUMO-SIM interactions then enforce partner sequestration within the NB inner core. Accordingly, oxidative stress enhances NB formation and global sumoylation in vivo. Some NB-associated sumoylated partners also become polyubiquitinated by RNF4, precipitating their proteasomal degradation. As several partners are protein-modifying enzymes, NBs could act as sensors that facilitate and confer oxidative stress sensitivity not only to sumoylation but also to other post-translational modifications, thereby explaining alterations of stress response upon PML or NB loss.

Summary Membrane-less organelles are condensates formed by phase separation whose functions often remain enigmatic. Upon oxidative stress, PML scaffolds Nuclear Bodies (NBs) to regulate senescence or metabolic adaptation, but their role in pluripotency remains elusive. Here we establish that PML is required for basal SUMO2/3 conjugation in mESCs and oxidative stress-driven sumoylation in mESCs or in vivo . PML NBs create an oxidation-protective environment for UBC9-driven SUMO2/3 conjugation of PML partners, often followed by their poly-ubiquitination and degradation. Differential in vivo proteomics identified several members of the KAP1 complex as PML NB-dependent SUMO2-targets. The latter drives functional activation of this key epigenetic repressor. Accordingly, Pml −/− mESCs re-express transposable elements and display features of totipotent-like cells, a process further enforced by PML-controlled SUMO2-conjugation of DPPA2. Finally, PML is required for adaptive stress responses in mESCs. Collectively, PML orchestrates mESC fate through SUMO2-conjugation of key transcriptional or epigenetic regulators, raising new mechanistic hypotheses about PML roles in normal or cancer stem cells.