All blood cell lineages derive from a common hematopoietic stem cell (HSC). The current model implicates that the first lineage commitment step of adult pluripotent HSCs results in a strict separation into common lymphoid and common myeloid precursors. We present evidence for a population of cells which, although sustaining a high proliferative and combined lympho-myeloid differentiation potential, have lost the ability to adopt erythroid and megakaryocyte lineage fates. Cells in the Lin−Sca-1+c-kit+ HSC compartment coexpressing high levels of the tyrosine kinase receptor Flt3 sustain granulocyte, monocyte, and B and T cell potentials but in contrast to Lin−Sca-1+c-kit+Flt3− HSCs fail to produce significant erythroid and megakaryocytic progeny. This distinct lineage restriction site is accompanied by downregulation of genes for regulators of erythroid and megakaryocyte development. In agreement with representing a lymphoid primed progenitor, Lin−Sca-1+c-kit+CD34+Flt3+ cells display upregulated IL-7 receptor gene expression. Based on these observations, we propose a revised road map for adult blood lineage development.

Loss of immune function and an increased incidence of myeloid leukemia are two of the most clinically significant consequences of aging of the hematopoietic system. To better understand the mechanisms underlying hematopoietic aging, we evaluated the cell intrinsic functional and molecular properties of highly purified long-term hematopoietic stem cells (LT-HSCs) from young and old mice. We found that LT-HSC aging was accompanied by cell autonomous changes, including increased stem cell self-renewal, differential capacity to generate committed myeloid and lymphoid progenitors, and diminished lymphoid potential. Expression profiling revealed that LT-HSC aging was accompanied by the systemic down-regulation of genes mediating lymphoid specification and function and up-regulation of genes involved in specifying myeloid fate and function. Moreover, LT-HSCs from old mice expressed elevated levels of many genes involved in leukemic transformation. These data support a model in which age-dependent alterations in gene expression at the stem cell level presage downstream developmental potential and thereby contribute to age-dependent immune decline, and perhaps also to the increased incidence of leukemia in the elderly.

The recent prospective isolation of a wide variety of somatically derived stem cells has affirmed the notion that homeostatic maintenance of most tissues and organs is mediated by tissue-specific stem and progenitor cells and fueled enthusiasm for the use of such cells in strategies aimed at repairing or replacing damaged, diseased, or genetically deficient tissues and organs. Hematopoietic stem cells (HSCs) are arguably the most well-characterized tissue-specific stem cell, with decades of basic research and clinical application providing not only a profound understanding of the principles of stem cell biology, but also of its potential pitfalls. It is our belief that emerging stem cell fields can benefit greatly from an understanding of the lessons learned from the study of HSCs. In this review we discuss some general concepts regarding stem cell biology learned from the study of HSCs with a highlight on recent work pertaining to emerging topics of interest for stem cell biology.

Abstract

 Flt3 has emerged as a potential regulator of hematopoietic stem cells (HSC). Sixty percent of cells in the mouse marrow Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺ HSC pool expressed flt3. Although single cell cloning showed comparable high proliferative, myeloid, B, and T cell potentials of Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁺ and Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁻ cells, only Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁻ cells supported sustained multilineage reconstitution. In striking contrast, Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁺ cells rapidly and efficiently reconstituted B and T lymphopoiesis, whereas myeloid reconstitution was exclusively short term. Unlike c-kit, activation of flt3 failed to support survival of HSC, whereas only flt3 mediated survival of Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁺ reconstituting cells. Phenotypic and functional analysis support that Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺flt3⁺ cells are progenitors for the common lymphoid progenitor. Thus, upregulation of flt3 expression on Lin⁻Sca1⁺c-kit⁺ HSC cells is accompanied by loss of self-renewal capacity but sustained lymphoid-restricted reconstitution potential.

Aging of the hematopoietic stem cell compartment is believed to contribute to the onset of a variety of age-dependent blood cell pathophysiologies. Mechanistic drivers of hematopoietic stem cell (HSC) aging include DNA damage accumulation and induction of tumor suppressor pathways that combine to reduce the regenerative capacity of aged HSCs. Such mechanisms do not however account for the change in lymphoid and myeloid lineage potential characteristic of HSC aging, which is believed to be central to the decline of immune competence and predisposition to myelogenous diseases in the elderly. Here we have prospectively isolated functionally distinct HSC clonal subtypes, based on cell surface phenotype, bearing intrinsically different capacities to differentiate toward lymphoid and myeloid effector cells mediated by quantitative differences in lineage priming. Finally, we present data supporting a model in which clonal expansion of a class of intrinsically myeloid-biased HSCs with robust self-renewal potential is a central component of hematopoietic aging.

The major myeloid blood cell lineages are generated from hematopoietic stem cells by differentiation through a series of increasingly committed progenitor cells. Precise characterization of intermediate progenitors is important for understanding fundamental differentiation processes and a variety of disease states, including leukemia. Here, we evaluated the functional in vitro and in vivo potentials of a range of prospectively isolated myeloid precursors with differential expression of CD150, Endoglin, and CD41. Our studies revealed a hierarchy of myeloerythroid progenitors with distinct lineage potentials. The global gene expression signatures of these subsets were consistent with their functional capacities, and hierarchical clustering analysis suggested likely lineage relationships. These studies provide valuable tools for understanding myeloid lineage commitment, including isolation of an early erythroid-restricted precursor, and add to existing models of hematopoietic differentiation by suggesting that progenitors of the innate and adaptive immune system can separate late, following the divergence of megakaryocytic/erythroid potential.

Abstract In clinical bone marrow transplantation, the severe cytopenias induced by bone marrow ablation translate into high risks of developing fatal infections and bleedings, until transplanted hematopoietic stem and progenitor cells have replaced sufficient myeloerythroid offspring. Although adult long-term hematopoietic stem cells (LT-HSCs) are absolutely required and at the single-cell level sufficient for sustained reconstitution of all blood cell lineages, they have been suggested to be less efficient at rapidly reconstituting the hematopoietic system and rescuing myeloablated recipients. Such a function has been proposed to rather be mediated by less well-defined short-term hematopoietic stem cells (ST-HSCs). Herein, we demonstrate that Lin–Sca1+kithiCD34+ short-term reconstituting cells contain 2 phenotypically and functionally distinct subpopulations: Lin–Sca1+kithiCD34+flt3– cells fulfilling all criteria of ST-HSCs, capable of rapidly reconstituting myelopoiesis, rescuing myeloablated mice, and generating Lin–Sca1+kithiCD34+flt3+ cells, responsible primarily for rapid lymphoid reconstitution. Representing the first commitment steps from Lin–Sca1+kithi CD34–flt3– LT-HSCs, their identification will greatly facilitate delineation of regulatory pathways controlling HSC fate decisions and identification of human ST-HSCs responsible for rapid reconstitution following HSC transplantations.

Genome editing via CRISPR/Cas9 has rapidly become the tool of choice by virtue of its efficacy and ease of use. However, CRISPR/Cas9-mediated genome editing in clinically relevant human somatic cells remains untested. Here, we report CRISPR/Cas9 targeting of two clinically relevant genes, B2M and CCR5, in primary human CD4+ T cells and CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Use of single RNA guides led to highly efficient mutagenesis in HSPCs but not in T cells. A dual guide approach improved gene deletion efficacy in both cell types. HSPCs that had undergone genome editing with CRISPR/Cas9 retained multilineage potential. We examined predicted on- and off-target mutations via target capture sequencing in HSPCs and observed low levels of off-target mutagenesis at only one site. These results demonstrate that CRISPR/Cas9 can efficiently ablate genes in HSPCs with minimal off-target mutagenesis, which could have broad applicability for hematopoietic cell-based therapy.

We report here a systematic, quantitative population analysis of transcription factor expression within developmental progenitors, made possible by a microfluidic chip-based "digital RT-PCR" assay that can count template molecules in cDNA samples prepared from single cells. In a survey encompassing five classes of early hematopoietic precursor, we found markedly heterogeneous expression of the transcription factor PU.1 in hematopoietic stem cells and divergent patterns of PU.1 expression within flk2- and flk2+ common myeloid progenitors. The survey also revealed significant differences in the level of the housekeeping transcript GAPDH across the surveyed populations, which demonstrates caveats of normalizing expression data to endogenous controls and underscores the need to put gene measurement on an absolute, copy-per-cell basis.