Despite recent controversy about their function in some organisms, sirtuins are thought to play evolutionarily conserved roles in lifespan extension. Whether sirtuins can reverse aging-associated degeneration is unknown. Tissue-specific stem cells persist throughout the entire lifespan to repair and maintain tissues, but their self-renewal and differentiation potential become dysregulated with aging. We show that SIRT3, a mammalian sirtuin that regulates the global acetylation landscape of mitochondrial proteins and reduces oxidative stress, is highly enriched in hematopoietic stem cells (HSCs) where it regulates a stress response. SIRT3 is dispensable for HSC maintenance and tissue homeostasis at a young age under homeostatic conditions but is essential under stress or at an old age. Importantly, SIRT3 is suppressed with aging, and SIRT3 upregulation in aged HSCs improves their regenerative capacity. Our study illuminates the plasticity of mitochondrial homeostasis controlling stem cell and tissue maintenance during the aging process and shows that aging-associated degeneration can be reversed by a sirtuin.

Haematopoietic stem cells (HSCs) can convert between growth states that have marked differences in bioenergetic needs. Although often quiescent in adults, these cells become proliferative upon physiological demand. Balancing HSC energetics in response to nutrient availability and growth state is poorly understood, yet essential for the dynamism of the haematopoietic system. Here we show that the Lkb1 tumour suppressor is critical for the maintenance of energy homeostasis in haematopoietic cells. Lkb1 inactivation in adult mice causes loss of HSC quiescence followed by rapid depletion of all haematopoietic subpopulations. Lkb1-deficient bone marrow cells exhibit mitochondrial defects, alterations in lipid and nucleotide metabolism, and depletion of cellular ATP. The haematopoietic effects are largely independent of Lkb1 regulation of AMP-activated protein kinase (AMPK) and mammalian target of rapamycin (mTOR) signalling. Instead, these data define a central role for Lkb1 in restricting HSC entry into cell cycle and in broadly maintaining energy homeostasis in haematopoietic cells through a novel metabolic checkpoint. Haematopoietic stem cells are very sensitive to energetic and oxidative stress, and modulation of the balance between their quiescence and proliferation is needed to respond to metabolic stress while preserving their long-term regenerative capacity. Three new studies show that the tumour suppressor and metabolic sensor Lkb1 has a crucial role in maintaining energy homeostasis in haematopoietic cells. Lkb1 is shown to be necessary for cell-cycle regulation as well as for energy homeostasis, and haematopoietic stem cells depend more acutely on Lkb1 than any other haematopoietic cells. Haematopoietic stem cells (HSCs) are very sensitive to energetic and oxidative stress, and modulation of the balance between their quiescence and proliferation is needed to respond to metabolic stress while preserving HSCs' long term regenerative capacity. Here the tumour suppressor Lkb1 is shown to have a crucial role in maintaining energy homeostasis in haematopoietic cells — an effect largely independent of AMPK and mTOR signalling.

The blood system is sustained by a pool of haematopoietic stem cells (HSCs) that are long-lived due to their capacity for self-renewal. A consequence of longevity is exposure to stress stimuli including reactive oxygen species (ROS), nutrient fluctuation and DNA damage. Damage that occurs within stressed HSCs must be tightly controlled to prevent either loss of function or the clonal persistence of oncogenic mutations that increase the risk of leukaemogenesis. Despite the importance of maintaining cell integrity throughout life, how the HSC pool achieves this and how individual HSCs respond to stress remain poorly understood. Many sources of stress cause misfolded protein accumulation in the endoplasmic reticulum (ER), and subsequent activation of the unfolded protein response (UPR) enables the cell to either resolve stress or initiate apoptosis. Here we show that human HSCs are predisposed to apoptosis through strong activation of the PERK branch of the UPR after ER stress, whereas closely related progenitors exhibit an adaptive response leading to their survival. Enhanced ER protein folding by overexpression of the co-chaperone ERDJ4 (also called DNAJB9) increases HSC repopulation capacity in xenograft assays, linking the UPR to HSC function. Because the UPR is a focal point where different sources of stress converge, our study provides a framework for understanding how stress signalling is coordinated within tissue hierarchies and integrated with stemness. Broadly, these findings reveal that the HSC pool maintains clonal integrity by clearance of individual HSCs after stress to prevent propagation of damaged stem cells.

Regulated blood production is achieved through the hierarchical organization of dormant hematopoietic stem cell (HSC) subsets that differ in self-renewal potential and division frequency, with long-term (LT)-HSCs dividing the least. The molecular mechanisms underlying this variability in HSC division kinetics are unknown. We report here that quiescence exit kinetics are differentially regulated within human HSC subsets through the expression level of CDK6. LT-HSCs lack CDK6 protein. Short-term (ST)-HSCs are also quiescent but contain high CDK6 protein levels that permit rapid cell cycle entry upon mitogenic stimulation. Enforced CDK6 expression in LT-HSCs shortens quiescence exit and confers competitive advantage without impacting function. Computational modeling suggests that this independent control of quiescence exit kinetics inherently limits LT-HSC divisions and preserves the HSC pool to ensure lifelong hematopoiesis. Thus, differential expression of CDK6 underlies heterogeneity in stem cell quiescence states that functionally regulates this highly regenerative system.

Abstract Signaling pathways that control vital features of leukemic stem cells including multipotency, self-renewal, clonal expansion and quiescence remain unclear. Emerging studies illustrate critical roles for lysosomes in hematopoietic and leukemic stem cell fate. By investigating consequences of INPP4B alterations in AML, we have discovered its role in driving leukemic ‘stemness’. We observed that INPP4B is highly expressed leukemic stem cell populations and Inpp4b -deficeint leukemias demonstrate increased disease latency, reduced leukemia initiating potential which is associated with a differentiated leukemic phenotype. Molecular analyses show that Inpp4b -deficient leukemias have compromised lysosomal gene expression, lysosomal content, and lysosomal activity. Our discovery of a novel pathway linking INPP4B, lysosomal biogenesis and leukemic stemness, provides a mechanism to explain the association of high INPP4B expression with poor AML prognosis, and highlights novel patient stratification strategies and LSC-specific leukemic therapies. Key Points Our findings highlight a novel pathway linking INPP4B, lysosomal function and leukemic stemness that explains the prognostic role of INPP4B in AML. Our data reveal the utility of INPP4B as a biomarker of aggressive AML and provide a rationale to explore INPP4B and its associated function in lysosome biology as novel strategies to target LSC and AML

Summary It is critical to understand how quiescent long-term hematopoietic stem cells (LT-HSC) sense demand from daily and stress-mediated cues and transition into bioenergetically active progeny to differentiate and meet these cellular needs. Here, we show that lysosomes, which are sophisticated nutrient sensing and signaling centers, are dichotomously regulated by the Transcription Factor EB (TFEB) and MYC to balance catabolic and anabolic processes required for activating LT-HSC and guiding their lineage fate. TFEB-mediated induction of the endolysosomal pathway causes membrane receptor degradation, limiting LT-HSC metabolic and mitogenic activation, which promotes quiescence, self-renewal and governs erythroid-myeloid commitment. By contrast, MYC engages biosynthetic processes while repressing lysosomal catabolism to drive LT-HSC activation. Collectively, our study identifies lysosomes as a central regulatory hub for proper and coordinated stem cell fate determination.

Clonal hematopoiesis (CH) arises when hematopoietic stem cells (HSCs) acquire mutations, most frequently in the DNMT3A and TET2 genes, conferring a competitive advantage through mechanisms that remain unclear. To gain insight into how CH mutations enable gradual clonal expansion, we used single-cell multi-omics with high-fidelity genotyping on human CH bone marrow (BM) samples. Most of the selective advantage of mutant cells occurs within HSCs. DNMT3A- and TET2-mutant clones expand further in early progenitors, while TET2 mutations accelerate myeloid maturation in a dose-dependent manner. Unexpectedly, both mutant and non-mutant HSCs from CH samples are enriched for inflammatory and aging transcriptomic signatures, compared with HSCs from non-CH samples, revealing a non-cell-autonomous effect. However, DNMT3A- and TET2-mutant HSCs have an attenuated inflammatory response relative to wild-type HSCs within the same sample. Our data support a model whereby CH clones are gradually selected because they are resistant to the deleterious impact of inflammation and aging.

Transition between activation and quiescence programs in hematopoietic stem and progenitor cells (HSC/HSPCs) is perceived to be governed intrinsically and by microenvironmental co-adaptation. However, HSC programs dictating both transition and adaptability, remain poorly defined. Single cell multiome analysis divulging differential transcriptional activity between distinct HSPC states, indicated for the exclusive absence of Fli-1 motif from quiescent HSCs. We reveal that Fli-1 activity is essential for HSCs during regenerative hematopoiesis. Fli-1 directs activation programs while manipulating cellular sensory and output machineries, enabling HSPCs co-adoptability with a stimulated vascular niche. During regenerative conditions, Fli-1 presets and enables propagation of niche-derived Notch1 signaling. Constitutively induced Notch1 signaling is sufficient to recuperate functional HSC impairments in the absence of Fli-1. Applying FLI-1 modified-mRNA transduction into lethargic adult human mobilized HSPCs, enables their vigorous niche-mediated expansion along with superior engraftment capacities. Thus, decryption of stem cell activation programs offers valuable insights for immune regenerative medicine.

Hematopoietic stem cells (HSC) must persist through a lifetime of infections to ensure life-long blood production, but whether molecular adaptations following inflammatory stress recovery in HSC are linked to aging and clonal hematopoiesis (CH) are unclear. Here, we performed single cell (sc) Multiomics on human HSC isolated from a xenograft inflammation-recovery model. Two transcriptionally and epigenetically distinct HSC subsets expressing canonical HSC programs were identified. Only one showed scATACseq and scRNAseq changes after recovery from TNFα or lipopolysaccharide treatment. This inflammatory memory HSC (HSC-iM) program is enriched in memory T cells and HSC from recovered COVID-19 patients. Importantly, HSC-iM accumulates with age and with CH. Overall, a human HSC subset that retains memory of prior inflammatory stress has implications towards HSC fitness and leukemia transformation.

Clonal hematopoiesis (CH) arises when hematopoietic stem cells (HSC) acquire mutations in genes, including DNMT3A and TET2, conferring a competitive advantage through a mechanism that remains unclear. To gain insight into how CH mutations enable gradual clonal expansion, we used single-cell multi-omics with high-fidelity genotyping on CH bone marrow samples. Most of the selective advantage of mutant cells occurs within HSCs. DNMT3A and TET2-mutant clones expand further in early progenitors, while TET2 mutations accelerate myeloid maturation in a dose-dependent manner. Unexpectedly, both mutant and non-mutant HSCs from CH samples are enriched for inflammatory and aging transcriptomic signatures, compared to HSC from non-CH samples, revealing a non-cell autonomous mechanism. However, DNMT3A and TET2-mutant HSCs have an attenuated inflammatory response relative to wild-type HSCs within the same sample. Our data support a model whereby CH clones are gradually selected because they are more resistant to the deleterious impact of inflammation and aging.