Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) are responsible for lifelong maintenance and regeneration of the blood system. With aging, loss of HSC function is a major contributor to decline in overall hematopoietic function, leading to increased rate of infection, poor vaccination response, clonal hematopoiesis, and increased risk of hematologic malignancies. While cellular and molecular hallmarks of HSC aging have been defined 1–3 , the lack of understanding of the nature and timing of the initiating events that cause HSC aging is a barrier to achieving the goal of extending healthy hematopoietic function into older age. Here we discover that hallmarks of HSC aging and myeloid-biased hematopoiesis accumulate by middle age in mice, and that the bone marrow (BM) microenvironment at middle age induces and is indispensable for hematopoietic aging phenotypes. Using unbiased transcriptome-based approaches, we identify decreased production of IGF1 by cells in the middle-aged BM microenvironment as a factor causing hematopoietic stem and progenitor cell aging and show that direct stimulation with IGF1 rescues hallmarks of hematopoietic aging. Declining IGF1 in the BM microenvironment at middle age represents a compelling target for intervention using prophylactic therapies to effectively extend healthspan and to prevent functional decline during aging.

Abstract The MLL-AF9 fusion protein occurring as a result of t(9;11) translocation gives rise to pediatric and adult acute leukemias of distinct lineages, including acute lymphoblastic leukemia (ALL), acute myeloid leukemia (AML), and mixed phenotype acute leukemia (MPAL). The mechanisms underlying how this same fusion protein results in diverse leukemia phenotypes among different individuals is not well understood. Given emerging evidence from genome-wide association studies (GWAS) that genetic risk factors contribute to MLL -rearranged leukemogenesis, here we tested the impact of genetic background on survival and phenotype of a well-characterized Mll - AF9 knockin mouse model. We crossed this model to five distinct inbred strains (129, A/J, C57BL/6, NOD, CAST), and tested their F1 hybrid progeny for dominant genetic effects on Mll-AF9 phenotypes. We discovered that genetic background altered peripheral blood composition, with Mll-AF9 CAST F1 demonstrating significantly increased B lymphocyte frequency while the remainder of the strains exhibited myeloid-biased hematopoiesis, similar to the parental line. Genetic background also impacted overall survival, with Mll-AF9 A/J F1 and Mll-AF9 129 F1 having significantly shorter survival, and Mll-AF9 CAST F1 having longer survival, compared to the parental line. Furthermore, we observed a range of hematologic malignancies, with Mll-AF9 A/J F1, Mll-AF9 129 F1 and Mll-AF9 B6 F1 developing exclusively myeloid cell malignancies (myeloproliferative disorder (MPD) and AML) whereas a subset of Mll-AF9 NOD F1 developed MPAL and Mll-AF9 CAST F1 developed ALL. This study provides a novel in vivo experimental model to evaluate the underlying mechanisms by which MLL-AF9 results in diverse leukemia phenotypes and provides definitive experimental evidence that genetic risk factors contribute to survival and phenotype of MLL -rearranged leukemogenesis.

ABSTRACT Age-associated clonal hematopoiesis (CH) occurs due to somatic mutations accrued in hematopoietic stem cells (HSCs) that confer a selective advantage in the context of aging. The mechanisms by which CH-mutant HSCs gain this advantage with aging are not comprehensively understood. Using unbiased transcriptomic approaches, we identify Oncostatin M (OSM) signaling as a candidate contributor to aging-driven Dnmt3a -mutant CH. We find that Dnmt3a -mutant HSCs from young mice do not functionally respond to acute OSM stimulation with respect to proliferation, apoptosis, hematopoietic engraftment, or myeloid differentiation. However, young Dnmt3a -mutant HSCs transcriptionally upregulate an inflammatory cytokine network in response to acute OSM stimulation including genes encoding IL-6, IL-1β and TNFα. In addition, OSM-stimulated Dnmt3a -mutant HSCs upregulate the anti-inflammatory genes Socs3, Atf3 and Nr4a1 , creating a negative feedback loop limiting sustained activation of the inflammatory network. In the context of an aged bone marrow (BM) microenvironment with chronically elevated levels of OSM, Dnmt3a -mutant HSCs upregulate pro-inflammatory genes but do not upregulate Socs3, Atf3 and Nr4a1 . Together, our work suggests that chronic inflammation with aging exhausts the regulatory mechanisms in young CH-mutant HSCs that resolve inflammatory states, and that OSM is a master regulator of an inflammatory network that contributes to age-associated CH.

Abstract Clonal hematopoiesis resulting from enhanced fitness of mutant hematopoietic stem cells (HSCs) associates with both favorable and unfavorable health outcomes related to the types of mature mutant blood cells produced, but how this lineage output is regulated is unclear. Using a mouse model of a clonal hematopoiesis-associated mutation, DNMT3A R882/+ ( Dnmt3a R878H/+ ), we found that aging-induced TNFα signaling promoted the selective advantage of mutant HSCs as well as stimulated mutant B lymphoid cell production. Genetic loss of TNFα receptor TNFR1 impaired mutant HSC fitness without altering lineage output, while loss of TNFR2 reduced lymphoid cell production and favored myeloid cell production from mutant HSCs without altering overall fitness. These results support a model where clone size and mature blood lineage production can be independently controlled to harness potential beneficial aspects of clonal hematopoiesis. Statement of Significance Through identification and dissection of TNFα signaling as a key driver of murine Dnmt3a -mutant hematopoiesis, we report the discovery that clone size and production of specific mature blood cell types can be independently regulated.

Aged hematopoietic stem cells (HSCs) undergo biased lineage priming and differentiation toward production of myeloid cells. A comprehensive understanding of gene regulatory mechanisms causing HSC aging is needed to devise new strategies to sustainably improve immune function in aged individuals. Here, a focused shRNA screen of epigenetic factors reveals that the histone acetyltransferase Kat6b regulates myeloid cell production from hematopoietic progenitor cells. Within the stem and progenitor cell compartment, Kat6b is most highly expressed in long-term (LT)-HSCs and is significantly decreased with aging at the transcript and protein levels. Knockdown of Kat6b in young LT-HSCs causes skewed production of myeloid cells both in vitro and in vivo. Transcriptome analysis identifies enrichment of aging and macrophage-associated gene signatures alongside reduced expression of self-renewal and multilineage priming signatures. Together, our work identifies KAT6B as an epigenetic regulator of LT-HSC aging and a novel target to improve aged immune function.

Abstract Clonal hematopoiesis (CH) can predispose to blood cancers due to enhanced fitness of mutant hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), but the mechanisms driving this progression are not understood. We hypothesized that malignant progression is related to microenvironment-remodelling properties of CH-mutant HSPCs. Single-cell transcriptomic profiling of the bone marrow microenvironment in Dnmt3a R878H/+ mice revealed signatures of cellular senescence in mesenchymal stromal cells (MSCs). Dnmt3a R878H/+ HSPCs caused MSCs to upregulate the senescence markers SA-β-gal, BCL-2, BCL-xL, Cdkn1a (p21) and Cdkn2a (p16), ex vivo and in vivo . This effect was cell contact-independent and can be replicated by IL-6 or TNFα, which are produced by Dnmt3a R878H/+ HSPCs. Depletion of senescent MSCs in vivo reduced the fitness of Dnmt3a R878H/+ hematopoietic cells and the progression of CH to myeloid neoplasms using a sequentially inducible Dnmt3a ; Npm1 -mutant model. Thus, Dnmt3a -mutant HSPCs reprogram their microenvironment via senescence induction, creating a self-reinforcing niche favoring fitness and malignant progression. Statement of Significance Mesenchymal stromal cell senescence induced by Dnmt3a -mutant hematopoietic stem and progenitor cells drives clonal hematopoiesis and initiation of hematologic malignancy.