SUMMARY It is not known whether hematopoietic stem cells (HSCs) undergo symmetric or asymmetric cell divisions in the unperturbed bone marrow. Here, we integrate data from HSC fate mapping and cell-cycle-dependent labeling through mathematical inference and thus gain insight into how HSCs coordinate self-renewal with differentiation. We find that most HSC divisions in adult mice are symmetric self-renewing, replacing HSCs lost by direct differentiation and death, and slowly expanding the HSC population. This expansion maintains constant HSC output to multipotent progenitors (MPPs), despite declining HSC differentiation rate with age. We identify a linear hierarchy of differentiation states between tip HSCs and MPPs, where Tie2 -driven HSC fate mapping fully covers the progression of the differentiating cells. A turning point from self-renewal to accelerated cell differentiation occurs between early-stage and late-stage MPPs, just before lineage differentiation becomes manifest in single-cell transcriptomes. This stem cell hierarchy precedes lineage differentiation and may limit mutation accumulation in the hematopoietic system.

Abstract While the average cell-cycle length in a cell population can be derived from pulse-chase experiments, proliferative heterogeneity has been difficult to quantify. Here we describe C ycle F low , a broadly applicable method that applies Bayesian inference to combined measurements of EdU incorporation and DNA content. C ycle F low accurately quantifies the fraction of proliferating versus quiescent cells and the durations of cell-cycle phases of the proliferating cells in vitro and in vivo .

Adult bone marrow harbors a mosaic of hematopoietic stem cell (HSC) clones of embryonic origin, and recent work suggests that such clones may have coherent lineage fates. To probe under physiological conditions whether HSC clones with different fates are transcriptionally distinct, we developed PolyloxExpress - a Cre recombinase-dependent DNA substrate for in situ barcoding that allows parallel readout of barcodes and transcriptomes in single cells. We describe differentiation-inactive, multilineage and lineage-restricted HSC clones, find that they reside in distinct regions of the transcriptional landscape of hematopoiesis, and identify corresponding gene signatures. All clone types contain proliferating HSCs, indicating that differentiation-inactive HSCs can undergo symmetric self-renewal. Our work establishes an approach for studying determinants of stem cell fate in vivo and provides molecular evidence for fate coherence of HSC clones.