How the blood system forms during embryonic development is a topic of intensive research, in part because of the potential importance of the process for regenerative medicine. Two main theories have emerged to explain the formation of the haematopoietic stem cells that eventually populate the adult born marrow. One idea is that the haematopoietic stem cell and the endothelial lineage arise independently from the mesoderm; the other is that some haematopoietic and endothelial lineages derive from a specialized progenitor called a haemangioblast. Three papers in this issue unify the two theories. Both are correct: the haemangioblast does generate haematopoietic cells, but via a haemogenic endothelium intermediate. There are two theories of how haematopoeitic cells arise during embryonic development. One is that haematopoietic cells arise from a mesodermal progenitor with both endothelial and haematopoietic potential called the haemangioblast. Another associates the first haematopoietic cells to an endothelial cell with haematopoietic potential, the haemogenic endothelium. This paper shows that both theories are correct. The haemangioblast generates haematopoietic cells through the formation of a haemogenic endothelium intermediate. It has been proposed that during embryonic development haematopoietic cells arise from a mesodermal progenitor with both endothelial and haematopoietic potential called the haemangioblast1,2. A conflicting theory instead associates the first haematopoietic cells with a phenotypically differentiated endothelial cell that has haematopoietic potential (that is, a haemogenic endothelium)3,4,5. Support for the haemangioblast concept was initially provided by the identification during mouse embryonic stem cell differentiation of a clonal precursor, the blast colony-forming cell (BL-CFC), which gives rise to blast colonies with both endothelial and haematopoietic components6,7. Although recent studies have now provided evidence for the presence of this bipotential precursor in vivo8,9, the precise mechanism for generation of haematopoietic cells from the haemangioblast still remains completely unknown. Here we demonstrate that the haemangioblast generates haematopoietic cells through the formation of a haemogenic endothelium intermediate, providing the first direct link between these two precursor populations. The cell population containing the haemogenic endothelium is transiently generated during BL-CFC development. This cell population is also present in gastrulating mouse embryos and generates haematopoietic cells on further culture. At the molecular level, we demonstrate that the transcription factor Tal1 (also known as Scl; ref. 10) is indispensable for the establishment of this haemogenic endothelium population whereas the core binding factor Runx1 (also known as AML1; ref. 11) is critical for generation of definitive haematopoietic cells from haemogenic endothelium. Together our results merge the two a priori conflicting theories on the origin of haematopoietic development into a single linear developmental process.

Nucleic acid and histone modifications critically depend on central metabolism for substrates and co-factors. Although a few enzymes related to the formation of these required metabolites have been reported in the nucleus, the corresponding metabolic pathways are considered to function elsewhere in the cell. Here we show that a substantial part of the mitochondrial tricarboxylic acid (TCA) cycle, the biosynthetic hub of epigenetic modification factors, is operational also in the nucleus. Using 13 C-tracer analysis, we identified activity of glutamine-to-fumarate, citrate-to-succinate, and glutamine-to-aspartate routes in the nuclei of HeLa cells. Proximity labeling mass-spectrometry revealed a spatial vicinity of the involved enzymes with core nuclear proteins, supporting their nuclear location. We further show nuclear localization of aconitase 2 and 2-oxoglutarate dehydrogenase in mouse embryonic stem cells. Together, our results demonstrate operation of an extended metabolic pathway in the nucleus warranting a revision of the canonical view on metabolic compartmentalization and gene expression regulation.

Abstract The endothelial to haematopoietic transition (EHT) is the process whereby haemogenic endothelium differentiates into haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The intermediary steps of this process are unclear, in particular the identity of endothelial cells that give rise to HSPCs is unknown. Using single-cell transcriptome analysis and antibody screening we identified CD44 as a new marker of EHT enabling us to isolate robustly the different stages of EHT in the aorta gonad mesonephros (AGM) region. This allowed us to provide a very detailed phenotypical and transcriptional profile for haemogenic endothelial cells, characterising them with high expression of genes related to Notch signalling, TGFbeta/BMP antagonists (Smad6, Smad7 and Bmper) and a downregulation of genes related to glycolysis and the TCA cycle. Moreover, we demonstrated that by inhibiting the interaction between CD44 and its ligand hyaluronan we could block EHT, identifying a new regulator of HSPC development.

ABSTRACT Recent progress in the generation of bona-fide Hematopoietic Stem and Progenitor Cells (HSPCs) in vitro and ex vivo has been built on the knowledge of developmental hematopoiesis, underscoring the importance of understanding in detail this developmental process. Here, we sought to elucidate the function of the hematopoietic regulators Tal1 , Lmo2 and Lyl1 in the Endothelial to Hematopoietic Transition (EHT), the process through which HSPCs are generated from endothelial precursors during embryogenesis. We used a mouse embryonic-stem cell (mESC)-based differentiation system to model hematopoietic development, and combined gain-of-function experiments in sorted vascular smooth muscle cells (VSM) with multi-omics to obtain mechanistic insights into the mode of action of Tal1 , Lmo2 and Lyl1 . We found that these factors promote the silencing of the VSM transcriptional program and the activation of the hematopoietic one. Through this approach and the use of a Tet-on system to control the expression of Tal1 during hematopoietic specification from mESCs, we discovered that its expression in endothelial cells is crucial for the EHT to occur.

Abstract Hematopoietic stem cells are crucial for the continuous production of blood cells during life. The transplantation of these cells is one of the most common treatments to cure patient suffering of blood diseases. However, the lack of suitable donors is a major limitation. One option to get hematopoietic stem cells matching perfectly a patient is cellular reprogramming. Hematopoietic stem cells emerge from endothelial cells in blood vessels during embryogenesis through the endothelial to hematopoietic transition. Here, we used single-cell transcriptomics analysis to compare embryonic and post-natal endothelial cells to investigate the potential of adult vasculature to be reprogrammed in hematopoietic stem cells. Although transcriptional similarities have been found between embryonic and adult endothelial cells, we found some key differences in term of transcription factors expression. There is a deficit of expression of Runx1, Tal1, Lyl1 and Cbfb in adult endothelial cells compared to their embryonic counterparts. Using a combination of gene expression profiling and gene regulatory network analysis, we found that endothelial cells from the pancreas, brain, kidney and liver appear to be the most suitable targets for cellular reprogramming into hematopoietic stem cells. Overall, our work provides an important resource for the rational design of a reprogramming strategy for the generation of hematopoietic stem cells.

The reversible glycosylation of nuclear and cytoplasmic proteins (O-GlcNAcylation) is catalyzed by a single enzyme, namely O-GlcNAc transferase (OGT). The mammalian Ogt gene is X-linked, and it is essential for embryonic development and for the viability of proliferating cells. We perturbed OGT’s function in vivo by creating a murine allelic series of four single amino acid substitutions, reducing OGT’s catalytic activity to a range of degrees. The severity of the embryonic lethality was proportional to the extent of impairment of OGT’s catalysis, demonstrating that the O-GlcNAc modification itself is required for early development. We identified hypomorphic Ogt alleles that perturb O-GlcNAc homeostasis while being compatible with embryogenesis. The analysis of the transcriptomes of the mutant embryos at different developmental stages suggested a sexually-dimorphic developmental delay caused by the decrease in O-GlcNAc. Furthermore, a mild reduction of OGT’s enzymatic activity was sufficient to loosen the silencing of endogenous retroviruses in vivo .

Iron is an essential micronutrient for hematopoiesis and previous research suggested that iron deficiency in the pregnant female could cause anemia in the offspring. Since the development of all embryonic and adult blood cells begins in the embryo, we aimed to resolve the role of iron in embryonic hematopoiesis. For this purpose, we used an experimental system of mouse embryonic stem cells differentiation into embryonic hematopoietic progenitors. We modulated the iron status in cultures by adding either an iron chelator DFO for iron deficiency, or ferric ammonium citrate for iron excess, and followed the emergence of developing hematopoietic progenitors by flow cytometry. We found interestingly that iron deficiency by DFO did not block the endothelial to hematopoietic transition, the first step of hematopoiesis. However, it had a differential effect on the proliferation, survival and clonogenic capacity of hematopoietic progenitors. Surprisingly, iron deficiency affected erythro-myeloid Kitpos CD41+ progenitors significantly more than the primitive erythroid Kitneg CD41+. The Kitpos progenitors paradoxically died more, proliferated less and had more reduction in colony formation than Kitneg after 24 hours of DFO treatment. Kitpos progenitors expressed less transferrin-receptor on the cell surface and had less labile iron compared to Kitneg, which could reduce their capacity to compete for scarce iron and survive iron deficiency. We suggest that iron deficiency could disturb hematopoiesis already at an early embryonic stage by compromising survival, proliferation and differentiation of definitive hematopoietic progenitors.

Erythropoiesis occurs through several waves during embryonic development. Although the source of the primitive wave is well characterized, the origin of erythrocytes later in embryogenesis is less clear due to overlaps between the different erythroid waves. Using the miR144/451-GFP mouse model to track cells expressing the erythroid microRNAs miR144/451, we identified cells co-expressing VE-Cadherin and GFP in the yolk sac between E9.5 and E12. This suggested the existence of hemogenic endothelial cells committed to erythropoiesis (Ery-HEC). We showed that these cells were capable of generating erythrocytes ex vivo and we demonstrated that the formation of Ery-HEC was independent of the Runx1 gene expression. Using transcriptome analysis, we demonstrated that these cells co-expressed endothelial and erythroid genes such as Hbb-bh1 and Gata1 but we were surprised to detect the primitive erythroid genes Aqp3 and Aqp8 suggesting the formation of primitive erythrocytes at a much later time point than initially thought. Finally, we showed that enforced expression of Gata1 in endothelial cells was enough to initiate the erythroid transcriptional program.

The reversible glycosylation of nuclear and cytoplasmic proteins (O-GlcNAcylation) is catalyzed by a single enzyme: the O-GlcNAc transferase (OGT). The mammalian Ogt gene is X-linked and it is essential for embryonic development and for the viability of proliferating cells. We perturbed OGT's function in vivo by creating a murine allelic series of four single amino acid substitutions reducing OGT's catalytic activity to a range of degrees. The severity of the embryonic lethality was proportional to the degree of impairment of OGT's catalysis, demonstrating that the O-GlcNAc modification itself is required for early development. We identified milder hypomorphic Ogt alleles that perturb O-GlcNAc homeostasis while being compatible with embryogenesis. The analysis of the transcriptomes of the mutant embryos at different stages suggested a sexually-dimorphic developmental delay caused by the decrease in O-GlcNAc. Furthermore, a mild reduction of OGT's enzymatic activity was sufficient to loosen the silencing of endogenous retroviruses in vivo.