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.

The hematopoietic and endothelial lineages derive from mesoderm and are thought to develop through the maturation of a common progenitor, the hemangioblast. To investigate the developmental processes that regulate mesoderm induction and specification to the hemangioblast, we generated an embryonic stem cell line with the green fluorescent protein (GFP) targeted to the mesodermal gene, brachyury. After the in vitro differentiation of these embryonic stem cells to embryoid bodies, developing mesodermal progenitors could be separated from those with neuroectoderm potential based on GFP expression. Co-expression of GFP with the receptor tyrosine kinase Flk1 revealed the emergence of three distinct cell populations,GFP-Flk1-, GFP+Flk1- and GFP+Flk1+ cells, which represent a developmental progression ranging from pre-mesoderm to prehemangioblast mesoderm to the hemangioblast.

Summary Recent findings are challenging the classical hematopoietic model in which long-term hematopoietic stem cells (LT-HSC) are the base of the hematopoietic system. Clonal dynamics analysis of the hematopoietic system indicate that LT-HSC are not the main contributors of normal hemapoiesis in physiological conditions and the hematopoietic system is mainly maintained by multipotent progenitors (MPPs, hereafter HPC) and LT-HSCs are mostly in a non-active state. The first HSCs emerge from the aorta-gonad and mesonephros (AGM) region along with hematopoietic progenitors (HPC) within hematopoietic clusters. Molecular pathways that determine the HSC fate instead of HPC are still unknown, although inflammatory signaling, including NF-κB has been implicated in the development of HSCs. Here, we identify a chromatin binding function for IκBα (also known as the inhibitor of NF-κB) that is Polycomb repression complex 2 (PRC2)-dependent and specifically determines dormant vs proliferating HSCs from the onset of their emergence in the AGM. We find a specific reduction of LT-HSCs in the IκBα knockout new-born pups. This defect is manifested at the FL stage already, and traceable to the first emerging HSCs in the E11.5 AGM, without affecting the general HPC population. IκBα deficient LT-HSCs express dormancy signature genes, are less proliferative and can robustly respond to activation stimuli such as in vitro culture and serial transplantation. At the molecular level, we find decreased PRC2-dependent H3K27me3 at the promoters of several retinoic acid signaling elements in the IκBα - deficient aortic endothelium and E14.5 FL LT-HSCs. Additionally, IκBα binding itself is found in the promoters of retinoic acid receptors rarα in the AGM, and rarγ in the LT-HSC of FL. Overall, we demonstrate that the retinoic acid pathway is over-activated in the hematopoietic clusters of IκBα-deficient AGMs leading to premature dormancy of LT-HSCs that persists in the FL LT-HSCs.

Abstract Recent findings suggest that Hematopoietic Stem Cells (HSC) and progenitors arise simultaneously and independently of each other already in the embryonic aorta-gonad mesonephros region, but it is still unknown how their different features are established. Here, we uncover IκBα ( Nfkbia , the inhibitor of NF-κB) as a critical regulator of HSC proliferation throughout development. IκBα balances retinoic acid signaling levels together with the epigenetic silencer, PRC2, specifically in HSCs. Loss of IκBα decreases proliferation of HSC and induces a dormancy related gene expression signature instead. Also, IκBα deficient HSCs respond with superior activation to in vitro culture and in serial transplantation. At the molecular level, chromatin regions harboring binding motifs for retinoic acid signaling are hypo-methylated for the PRC2 dependent H3K27me3 mark in IκBα deficient HSCs. Overall, we show that the proliferation index in the developing HSCs is regulated by a IκBα-PRC2 axis, which controls retinoic acid signaling.

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.

Summary Hematopoietic stem cells (HSCs) develop within a short time window from the hemogenic endothelium in the aorta- gonads-and mesonephros (AGM) region during embryonic development. The first HSCs reside within Intra-aortic hematopoietic clusters (IAHC) along with hematopoietic progenitors (HPC). The signalling mechanisms that divert HSCs from HPCs are unknown. Notch signaling is essential for arterial specification, IAHC formation and HSC activity, but current studies on how Notch drives these different fates are inconsistent. To determine the role of Notch in the specification of hemogenic endothelium, HSC and/or HPCs, we extensively analyzed Notch dynamics in the period of HSC generation. We defined the expression pattern of Notch signalling molecules at the gene and protein level and established a molecular mechanism that reconcile previous studies demonstrating the loss of HSC activity in NOTCH1, JAG1 and RBPJ null mutants, the enhanced HSC generation by blocking specific Notch activities or the abrogation of emerging HSCs by high Notch activation. We now demonstrate that Notch activity is highest in a subset of Gfi1+ hemogenic endothelial cells and is gradually lost with HSC maturation. We uncover that the HSC phenotype is maintained through loss of Notch activity due to increasing levels of NOTCH1 and JAG1 interactions on the surface of the same cell ( cis ) that renders the NOTCH1 receptor from being activated. Forcing activation of the NOTCH1 receptor in IAHC cells activates a hematopoietic differentiation program and supports a cis -inhibitory function for JAG1 and NOTCH1. Furthermore, we demonstrate that this cis -inhibitory interaction is enabled by RADICAL FRINGE (RFNG), a glycosyltransferase that enhances the affinity of NOTCH1 to JAG1 in cis . Finally, our results indicate that NOTCH1-JAG1 cis -inhibition is necessary for preserving the HSC phenotype in the hematopoietic clusters of the aorta.

Abstract During chronic infections and tumor progression, CD8 T cells gradually lose their effector functions and become exhausted. These exhausted CD8 T cells are heterogeneous and comprised of different subsets, including self-renewing progenitors that give rise to Ly108 − CX 3 CR1 + effector-like cells. Generation of these effector-like cells is essential for the control of chronic infections and tumors, albeit limited. However, the precise cues and mechanisms directing the formation and maintenance of exhausted effector-like are incompletely understood. Using genetic mouse models challenged with LCMV Clone 13 or syngeneic tumors, we show that the expression of a transcriptional repressor, growth factor independent 1 (Gfi1) is dynamically regulated in exhausted CD8 T cells, which in turn regulates the formation of exhausted effector-like cells. Gfi1 deletion in T cells dysregulates the chromatin accessibility and transcriptomic programs associated with the differentiation of LCMV Clone 13-specific CD8 T cell exhaustion, preventing the formation of effector-like and terminally exhausted cells while maintaining progenitors and a newly identified Ly108 + CX 3 CR1 + state. These Ly108 + CX 3 CR1 + cells have a distinct chromatin profile and may represent an alternative target for therapeutic interventions to combat chronic infections and cancer. In sum, we show that Gfi1 is a critical regulator of the formation of exhausted effector-like cells.

ABSTRACT The characterization of prostate epithelial hierarchy and lineage heterogeneity is critical to understand its regenerative properties and malignancies. Here, we report that the transcription factor RUNX1 marks a specific subpopulation of proximal luminal cells (PLCs), enriched in the periurethral region of the developing and adult mouse prostate, and distinct from the previously identified NKX3.1 + luminal castration resistant cells. Using scRNA-seq profiling and genetic lineage tracing, we show that RUNX1 + PLCs are unaffected by androgen deprivation, and do not contribute to the regeneration of the distal luminal compartments. Furthermore, we demonstrate that a transcriptionally similar RUNX1 + population emerges at the onset of embryonic prostate specification to populate the proximal region of the ducts. Collectively, our results reveal that RUNX1 + PLCs is an intrinsic castration-resistant and self-sustained lineage that emerges early during prostate development and provide new insights into the lineage relationships of the prostate epithelium.