Haematopoietic stem cells (HSCs) are a subset of bone marrow cells that are capable of self-renewal and of forming all types of blood cells (multi-potential)1. However, the HSC ‘niche’—the in vivo regulatory microenvironment where HSCs reside—and the mechanisms involved in controlling the number of adult HSCs remain largely unknown. The bone morphogenetic protein (BMP) signal has an essential role in inducing haematopoietic tissue during embryogenesis2,3. We investigated the roles of the BMP signalling pathway in regulating adult HSC development in vivo by analysing mutant mice with conditional inactivation of BMP receptor type IA (BMPRIA). Here we show that an increase in the number of spindle-shaped N-cadherin+CD45- osteoblastic (SNO) cells correlates with an increase in the number of HSCs. The long-term HSCs are found attached to SNO cells. Two adherens junction molecules, N-cadherin and β-catenin, are asymmetrically localized between the SNO cells and the long-term HSCs. We conclude that SNO cells lining the bone surface function as a key component of the niche to support HSCs, and that BMP signalling through BMPRIA controls the number of HSCs by regulating niche size.

Potential repair by cell grafting or mobilizing endogenous cells holds particular attraction in heart disease, where the meager capacity for cardiomyocyte proliferation likely contributes to the irreversibility of heart failure. Whether cardiac progenitors exist in adult myocardium itself is unanswered, as is the question whether undifferentiated cardiac precursor cells merely fuse with preexisting myocytes. Here we report the existence of adult heart-derived cardiac progenitor cells expressing stem cell antigen-1. Initially, the cells express neither cardiac structural genes nor Nkx2.5 but differentiate in vitro in response to 5'-azacytidine, in part depending on Bmpr1a, a receptor for bone morphogenetic proteins. Given intravenously after ischemia/reperfusion, cardiac stem cell antigen 1 cells home to injured myocardium. By using a Cre/Lox donor/recipient pair (alphaMHC-Cre/R26R), differentiation was shown to occur roughly equally, with and without fusion to host cells.

In humans, mutations in BMPR1A, SMAD4 and PTEN are responsible for juvenile polyposis syndrome1, juvenile intestinal polyposis2 and Cowden disease3, respectively. The development of polyposis is a common feature of these diseases, suggesting that there is an association between BMP and PTEN pathways4,5. The mechanistic link between BMP and PTEN pathways and the related etiology of juvenile polyposis is unresolved. Here we show that conditional inactivation of Bmpr1a in mice disturbs homeostasis of intestinal epithelial regeneration with an expansion of the stem and progenitor cell populations, eventually leading to intestinal polyposis resembling human juvenile polyposis syndrome. We show that BMP signaling suppresses Wnt signaling to ensure a balanced control of stem cell self-renewal. Mechanistically, PTEN, through phosphatidylinosital-3 kinase–Akt, mediates the convergence of the BMP and Wnt pathways on control of β-catenin. Thus, BMP signaling may control the duplication of intestinal stem cells, thereby preventing crypt fission and the subsequent increase in crypt number.

Bone morphogenetic proteins (BMPs) are secreted proteins that interact with cell-surface receptors and are believed to play a variety of important roles during vertebrate embryogenesis. Bmpr, also known as ALK-3 and Brk-1, encodes a type I transforming growth factor-beta (TGF-beta) family receptor for BMP-2 and BMP-4. Bmpr is expressed ubiquitously during early mouse embryogenesis and in most adult mouse tissues. To study the function of Bmpr during mammalian development, we generated Bmpr-mutant mice. After embryonic day 9.5 (E9.5), no homozygous mutants were recovered from heterozygote matings. Homozygous mutants with morphological defects were first detected at E7.0 and were smaller than normal. Morphological and molecular examination demonstrated that no mesoderm had formed in the mutant embryos. The growth characteristics of homozygous mutant blastocysts cultured in vitro were indistinguishable from those of controls; however, embryonic ectoderm (epiblast) cell proliferation was reduced in all homozygous mutants at E6.5 before morphological abnormalities had become prominent. Teratomas arising from E7.0 mutant embryos contained derivatives from all three germ layers but were smaller and gave rise to fewer mesodermal cell types, such as muscle and cartilage, than controls. These results suggest that signaling through this type I BMP-2/4 receptor is not necessary for preimplantation or for initial postimplantation development but may be essential for the inductive events that lead to the formation of mesoderm during gastrulation and later for the differentiation of a subset of mesodermal cell types.

Ectopic ossification often involves the transformation of soft tissue into bone. In this new study, Paul Yu et al. show that inflammation is a key step in disease progression and that a small molecule inhibitor of the disease gene’s protein product is therapeutic, thus offering a potential treatment for this devastating condition. Fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) is a congenital disorder of progressive and widespread postnatal ossification of soft tissues1,2,3,4 and is without known effective treatments. Affected individuals harbor conserved mutations in the ACVR1 gene that are thought to cause constitutive activation of the bone morphogenetic protein (BMP) type I receptor, activin receptor-like kinase-2 (ALK2)5. Here we show that intramuscular expression in the mouse of an inducible transgene encoding constitutively active ALK2 (caALK2), resulting from a glutamine to aspartic acid change at amino acid position 207, leads to ectopic endochondral bone formation, joint fusion and functional impairment, thus phenocopying key aspects of human FOP. A selective inhibitor of BMP type I receptor kinases, LDN-193189 (ref. 6), inhibits activation of the BMP signaling effectors SMAD1, SMAD5 and SMAD8 in tissues expressing caALK2 induced by adenovirus specifying Cre (Ad.Cre). This treatment resulted in a reduction in ectopic ossification and functional impairment. In contrast to localized induction of caALK2 by Ad.Cre (which entails inflammation), global postnatal expression of caALK2 (induced without the use of Ad.Cre and thus without inflammation) does not lead to ectopic ossification. However, if in this context an inflammatory stimulus was provided with a control adenovirus, ectopic bone formation was induced. Like LDN-193189, corticosteroid inhibits ossification in Ad.Cre-injected mutant mice, suggesting caALK2 expression and an inflammatory milieu are both required for the development of ectopic ossification in this model. These results support the role of dysregulated ALK2 kinase activity in the pathogenesis of FOP and suggest that small molecule inhibition of BMP type I receptor activity may be useful in treating FOP and heterotopic ossification syndromes associated with excessive BMP signaling.

Oct4 and Sox2 are transcription factors required for pluripotency during early embryogenesis and for the maintenance of embryonic stem cell (ESC) identity. Functional mechanisms contributing to pluripotency are expected to be associated with genes transcriptionally activated by these factors. Here, we show that Oct4 and Sox2 bind to a conserved promoter region of miR-302, a cluster of eight microRNAs expressed specifically in ESCs and pluripotent cells. The expression of miR-302a is dependent on Oct4/Sox2 in human ESCs (hESCs), and miR-302a is expressed at the same developmental stages and in the same tissues as Oct4 during embryogenesis. miR-302a is predicted to target many cell cycle regulators, and the expression of miR-302a in primary and transformed cell lines promotes an increase in S-phase and a decrease in G1-phase cells, reminiscent of an ESC-like cell cycle profile. Correspondingly, the inhibition of miR-302 causes hESCs to accumulate in G1 phase. Moreover, we show that miR-302a represses the productive translation of an important G1 regulator, cyclin D1, in hESCs. The transcriptional activation of miR-302 and the translational repression of its targets, such as cyclin D1, may provide a link between Oct4/Sox2 and cell cycle regulation in pluripotent cells.

The fate of pluripotent stem cells is tightly controlled during early embryonic development. Both the derivation and the maintenance of embryonic stem cells (ES cells) in vitro depend on feeder cell-derived growth factors that are largely unidentified. To dissect the mechanisms governing pluripotency, we conducted a screen to identify factors that are produced by mouse embryonic fibroblast STO cells and are required to maintain the pluripotency of ES cells. One of the factors is bone morphogenetic protein 4 (BMP4). Unexpectedly, the major effect of BMP4 on the self-renewal of ES cells is accomplished by means of the inhibition of both extracellular receptor kinase (ERK) and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways, and inhibitors of ERK and p38 MAPKs mimic the effect of BMP4 on ES cells. Importantly, inhibition of the p38 MAPK pathway by SB203580 overcomes the block in deriving ES cells from blastocysts lacking a functional Alk3 , the BMP type IA receptor. These results uncover a paradigm for BMP signaling in the biology of pluripotent stem cells.

Previous studies have demonstrated the ability of bone morphogenetic proteins (BMPs) to promote chondrogenic differentiation in vitro . However, the in vivo role of BMP signaling during chondrogenesis has been unclear. We report here that BMP signaling is essential for multiple aspects of early chondrogenesis. Whereas mice deficient in type 1 receptors Bmpr1a or Bmpr1b in cartilage are able to form intact cartilaginous elements, double mutants develop a severe generalized chondrodysplasia. The majority of skeletal elements that form through endochondral ossification are absent, and the ones that form are rudimentary. The few cartilage condensations that form in double mutants are delayed in the prechondrocytic state and never form an organized growth plate. The reduced size of mutant condensations results from increased apoptosis and decreased proliferation. Moreover, the expression of cartilage-specific extracellular matrix proteins is severely reduced in mutant elements. We demonstrate that this defect in chondrocytic differentiation can be attributed to lack of Sox9 , L-Sox5 , and Sox6 expression in precartilaginous condensations in double mutants. In summary, our study demonstrates that BMPR1A and BMPR1B are functionally redundant during early chondrogenesis and that BMP signaling is required for chondrocyte proliferation, survival, and differentiation in vivo .