In jawed vertebrates, development of an adaptive immune-system is essential for protection of the born organism against otherwise life-threatening pathogens. Myeloid cells of the innate immune system are formed early in development, whereas lymphopoiesis has been suggested to initiate much later, following emergence of definitive hematopoietic stem cells (HSCs). Herein, we demonstrate that the embryonic lymphoid commitment process initiates earlier than previously appreciated, prior to emergence of definitive HSCs, through establishment of a previously unrecognized entirely immune-restricted and lymphoid-primed progenitor. Notably, this immune-restricted progenitor appears to first emerge in the yolk sac and contributes physiologically to the establishment of lymphoid and some myeloid components of the immune-system, establishing the lymphomyeloid lineage restriction process as an early and physiologically important lineage-commitment step in mammalian hematopoiesis.

Abstract The advent of single cell (Sc) genomics has challenged the dogma of haematopoiesis as a tree-like structure of stepwise lineage commitment through distinct and increasingly restricted progenitor populations. Instead, analysis of ScRNA-seq has proposed that the earliest events in human hematopoietic stem cell (HSC) differentiation are characterized by only subtle molecular changes, with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) existing as a continuum of low-primed cell-states that gradually transition into a specific lineage (CLOUD-HSPCs). Here, we combine ScRNA-seq, ScATAC-seq and cell surface proteomics to dissect the heterogeneity of CLOUD-HSPCs at different stages of human life. Within CLOUD-HSPCs, pseudotime ordering of both mRNA and chromatin data revealed a bifurcation of megakaryocyte/erythroid and lympho/myeloid trajectories immediately downstream a subpopulation with an HSC-specific enhancer signature. Importantly, both HSCs and lineage-restricted progenitor populations could be prospectively isolated based on correlation of their molecular signatures with CD35 and CD11A expression, respectively. Moreover, we describe the changes that occur in this heterogeneity as hematopoiesis develops from neonatal to aged bone marrow, including an increase of HSCs and depletion of lympho-myeloid biased MPPs. Thus, this study dissects the heterogeneity of human CLOUD-HSPCs revealing distinct HSPC-states of relevance in homeostatic settings such as ageing.

Summary The ETV6-RUNX1 onco-fusion arises in utero , initiating a clinically silent pre-leukemic state associated with the development of pediatric B-acute lymphoblastic leukemia (B-ALL). We characterize the ETV6-RUNX1 regulome by integrating chromatin immunoprecipitation- and RNA-sequencing and show that ETV6-RUNX1 functions primarily through competition for RUNX1 binding sites and transcriptional repression. In pre-leukemia, this results in ETV6-RUNX1 antagonization of cell cycle regulation by RUNX1 as evidenced by mass cytometry analysis of B-lineage cells derived from ETV6-RUNX1 knock-in human pluripotent stem cells. In frank leukemia, knockdown of RUNX1 or its co-factor CBFβ results in cell death suggesting sustained requirement for RUNX1 activity which is recapitulated by chemical perturbation using an allosteric CBFβ-inhibitor. Strikingly, we show that RUNX1 addiction extends to other genetic subtypes of pediatric B-ALL and also adult disease. Importantly, inhibition of RUNX1 activity spares normal hematopoiesis. Our results implicate chemical intervention in the RUNX1 program as an exciting therapeutic opportunity in ALL.

SUMMARY The emerging notion of hematopoietic stem- and progenitor cells (HSPCs) as a low-primed cloud without sharply demarcated gene expression programs raises the question on how cellular fate options emerge, and at which stem-like stage lineage priming is initiated. Here we investigated single-cell chromatin accessibility of Lineage − , cKit + , Sca1 + (LSK) HSPCs spanning the early differentiation landscape. Application of a signal-processing algorithm to detect transition points corresponding to massive alterations in accessibility of 571 transcription factor-motifs revealed a population of LSK FMS-like tyrosine kinase 3(Flt3) int CD9 high cells that concurrently display stem-like and lineage-affiliated chromatin signatures pointing to a simultaneous gain of both Lympho-Myeloid and Megakaryocyte-Erythroid programs. Molecularly and functionally, these cells position between stem cells and committed progenitors, display multi-lineage capacity in vitro and in vivo, but lack self-renewal activity. This integrative molecular analysis resolves the heterogeneity of cells along hematopoietic differentiation and permits investigation of chromatin-mediated transition between multipotency and lineage restriction.

Abstract Myelodysplastic syndrome (MDS) is a haematological malignancy characterised by blood cytopenias and predisposition to acute myeloid leukaemia (AML). Therapies for MDS are lacking, particularly those that impact the early stages of disease. We developed a model of MDS using zebrafish using knockout of Rps14, the primary mediator of the anaemia associated with del (5q) MDS. These mutant animals display dose- and age-dependent abnormalities in haematopoiesis, culminating in bone marrow failure with dysplastic features. We utilized rps14 knockdown to undertake an in vivo small molecule screen to identify compounds that ameliorate the MDS phenotype, identifying imiquimod, an agonist of TLR7 and TLR8. Imiquimod alleviates anaemia by promoting haematopoietic stem and progenitor cell expansion and erythroid differentiation, the mechanism of which is dependent on TLR7 ligation. TLR7 activation in this setting paradoxically promoted an anti-inflammatory gene signature suggesting crosstalk between pro-inflammatory pathways endogenous to Rps14 loss and TLR7 pathway activation. Finally, we show that in highly purified human bone marrow samples from anaemic patients, imiquimod leads to an increase in erythroid output from myelo-erythroid progenitors and common myeloid progenitors. Our findings have both specific implications for the development of targeted therapeutics for del (5q) MDS and wider significance identifying a potential role for TLR7 ligation in modifying anaemia.

We postulate that exit from pluripotency involves intermediates that retain pluripotency while simultaneously exhibiting lineage-bias. Using a MIXL1 reporter, we explored mesoderm lineage-bias within the human pluripotent stem cell compartment. We identified a substate, which at the single cell level coexpresses pluripotent and mesodermal gene expression programs. Functionally these cells could initiate stem cell cultures and exhibited mesodermal bias in differentiation assays. By promoting mesodermal identity through manipulation of WNT signalling while preventing exit from pluripotency using lysophosphatidic acid, we could "trap" and maintain cells in a lineage-biased stem cell state through multiple passages. These cells correspond to a normal state on the differentiation trajectory, the plasticity of which is evidenced by their reacquisition of an unbiased state upon removal of differentiation cues. The use of "cross-antagonistic" signalling to trap pluripotent stem cell intermediates with different lineage-bias may have general applicability in the efficient production of cells for regenerative medicine.

ABSTRACT Stroke is a leading cause of disability and the third cause of death. The immune system plays an essential role in post-stroke recovery. After an ischemic stroke, monocytes infiltrate the injured brain tissue and can exacerbate or mitigate the damage. Ischemic stroke is more prevalent in the aged population, and the aging brain exhibits an altered immune response. There are also sex disparities in ischemic stroke incidence, outcomes, and recovery, and these differences may be hormone-driven and determined by genetic and epigenetic factors. Here, we studied whether human peripheral blood monocyte subtype (classical, intermediate, and non-classical) expression of neuronal inflammation- and regeneration-related genes depends on age and sex. A FACS analysis of blood samples from 44 volunteers (male and female, aged 28 to 98) showed that in contrast to other immune cells, the proportion of natural killer cells increased in females. The proportion of B-cells decreased in both sexes with age, and subtypes of monocytes were not linked to age or sex. Gene expression analysis by qPCR identified several genes differentially correlating with age and sex within different monocyte subtypes. Interestingly, ANXA1 and CD36 showed a consistent increase with aging in all monocytes, specifically in intermediate ( CD36 ) and intermediate and non-classical ( ANXA1 ) subtypes. Other genes ( IL-1β, S100A8, TNFα, CD64, CD33, TGFβ1, TLR8, CD91 ) were differentially changed in monocyte subtypes with increased aging. Most age-dependent gene changes were differentially expressed in female monocytes. Our data shed light on the nuanced interplay of age and sex in shaping the expression of inflammation- and regeneration-related genes within distinct monocyte subtypes. Understanding these dynamics could pave the way for targeted interventions and personalized approaches in post-stroke care, particularly for the aging population and individuals of different sexes.

ABSTRACT Knowledge of human fetal blood development and how it differs from adult is highly relevant for our understanding of congenital blood and immune disorders as well as childhood leukemia, the latter known to originate in utero. Blood production during development occurs in waves that overlap in time and space adding to heterogeneity, which necessitates single cell approaches. Here, a combined single cell immunophenotypic and transcriptional map of first trimester primitive blood development is presented. Using CITE-seq (Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by Sequencing) the molecular profile of established immunophenotypic gated progenitors was analyzed in the fetal liver (FL). Classical markers for hematopoietic stem cells (HSCs) such as CD90 and CD49F were largely preserved, whereas CD135 (FLT3) and CD123 (IL3R) had a ubiquitous expression pattern capturing heterogenous populations. Direct molecular comparison with an adult bone marrow (BM) data set revealed that HSC-like cells were less frequent in FL, whereas cells with a lympho-myeloid signature were more abundant. Furthermore, an erythro-myeloid primed multipotent progenitor cluster was identified, potentially representing a transient, FL-specific progenitor. Based on the projection performed, up- and downregulated genes between fetal and adult cells were analyzed. In general, cell cycle pathways, including MYC targets were shown to be upregulated in fetal cells, whereas gene sets involved in inflammation and human leukocyte antigen (HLA) complex were downregulated. Importantly, a fetal core molecular signature was identified that could discriminate certain types of infant and childhood leukemia from adult counterparts. Our detailed single cell map presented herein emphasizes molecular as well as immunophenotypic differences between fetal and adult primitive blood cells, of significance for future studies of pediatric leukemia and blood development in general.