Somatic cell reprogramming, directed differentiation of pluripotent stem cells, and direct conversions between differentiated cell lineages represent powerful approaches to engineer cells for research and regenerative medicine. We have developed CellNet, a network biology platform that more accurately assesses the fidelity of cellular engineering than existing methodologies and generates hypotheses for improving cell derivations. Analyzing expression data from 56 published reports, we found that cells derived via directed differentiation more closely resemble their in vivo counterparts than products of direct conversion, as reflected by the establishment of target cell-type gene regulatory networks (GRNs). Furthermore, we discovered that directly converted cells fail to adequately silence expression programs of the starting population and that the establishment of unintended GRNs is common to virtually every cellular engineering paradigm. CellNet provides a platform for quantifying how closely engineered cell populations resemble their target cell type and a rational strategy to guide enhanced cellular engineering.

A variety of tissue lineages can be differentiated from pluripotent stem cells by mimicking embryonic development through stepwise exposure to morphogens, or by conversion of one differentiated cell type into another by enforced expression of master transcription factors. Here, to yield functional human haematopoietic stem cells, we perform morphogen-directed differentiation of human pluripotent stem cells into haemogenic endothelium followed by screening of 26 candidate haematopoietic stem-cell-specifying transcription factors for their capacity to promote multi-lineage haematopoietic engraftment in mouse hosts. We recover seven transcription factors (ERG, HOXA5, HOXA9, HOXA10, LCOR, RUNX1 and SPI1) that are sufficient to convert haemogenic endothelium into haematopoietic stem and progenitor cells that engraft myeloid, B and T cells in primary and secondary mouse recipients. Our combined approach of morphogen-driven differentiation and transcription-factor-mediated cell fate conversion produces haematopoietic stem and progenitor cells from pluripotent stem cells and holds promise for modelling haematopoietic disease in humanized mice and for therapeutic strategies in genetic blood disorders. Haematopoietic stem and progenitor cell conversion of human pluripotent stem cell-derived haemogenic endothelium. Obtaining functional human haematopoietic stem cells (HSCs) from differentiated pluripotent stem cells (PSCs) is proving a challenge for the field. George Daley and colleagues used a morphogen-based approach to differentiate human PSCs to the haemogenic endothelium, where endothelial cells and HSCs commonly originate. They then screened 26 candidate HSC-specifying transcription factors for their ability to confer multi-lineage blood engraftment to the haemogenic endothelial cells when transplanted into mice. They defined a set of seven transcription factors (ERG, HOXA5, HOXA9, HOXA10, LCOR, RUNX1 and SPI1) that were sufficient to allow engraftment of myeloid, B and T cells in primary and secondary murine recipients. The cells obtained could one day enable researchers to model haematopoietic disease in humanized mice. Elsewhere in this issue, Shahin Rafii and colleagues reprogrammed in vitro mouse adult endothelial cells into mouse engraftable haematopoietic stem cells displaying some key functional properties.

ALS-associated mutations in TDP-43 enhance its localization to mitochondria, and the inhibition of mitochondrial targeting reduces neuronal toxicity and alleviates motor phenotypes induced by TDP-43 expression in mice in vivo. Genetic mutations in TAR DNA-binding protein 43 (TARDBP, also known as TDP-43) cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and an increase in the presence of TDP-43 (encoded by TARDBP) in the cytoplasm is a prominent histopathological feature of degenerating neurons in various neurodegenerative diseases. However, the molecular mechanisms by which TDP-43 contributes to ALS pathophysiology remain elusive. Here we have found that TDP-43 accumulates in the mitochondria of neurons in subjects with ALS or frontotemporal dementia (FTD). Disease-associated mutations increase TDP-43 mitochondrial localization. In mitochondria, wild-type (WT) and mutant TDP-43 preferentially bind mitochondria-transcribed messenger RNAs (mRNAs) encoding respiratory complex I subunits ND3 and ND6, impair their expression and specifically cause complex I disassembly. The suppression of TDP-43 mitochondrial localization abolishes WT and mutant TDP-43-induced mitochondrial dysfunction and neuronal loss, and improves phenotypes of transgenic mutant TDP-43 mice. Thus, our studies link TDP-43 toxicity directly to mitochondrial bioenergetics and propose the targeting of TDP-43 mitochondrial localization as a promising therapeutic approach for neurodegeneration.

Dendritic mislocalization of microtubule associated protein tau is a hallmark of tauopathies, but the role of dendritic tau is unknown. We now report that tau interacts with the RNA-binding protein (RBP) TIA1 in brain tissue, and we present the brain-protein interactome network for TIA1. Analysis of the TIA1 interactome in brain tissue from wild-type (WT) and tau knockout mice demonstrates that tau is required for normal interactions of TIA1 with proteins linked to RNA metabolism, including ribosomal proteins and RBPs. Expression studies show that tau regulates the distribution of TIA1, and tau accelerates stress granule (SG) formation. Conversely, TIA1 knockdown or knockout inhibits tau misfolding and associated toxicity in cultured hippocampal neurons, while overexpressing TIA1 induces tau misfolding and stimulates neurodegeneration. Pharmacological interventions that prevent SG formation also inhibit tau pathophysiology. These studies suggest that the pathophysiology of tauopathy requires an intimate interaction with RNA-binding proteins.

Summary

 High-risk forms of B-acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) remain a therapeutic challenge. Leukemia-initiating cells (LICs) self-renew and spark relapse and therefore have been the subject of intensive investigation; however, the properties of LICs in high-risk B-ALL are not well understood. Here, we use single-cell transcriptomics and quantitative xenotransplantation to understand LICs in MLL-rearranged (MLL-r) B-ALL. Compared with reported LIC frequencies in acute myeloid leukemia (AML), engraftable LICs in MLL-r B-ALL are abundant. Although we find that multipotent, self-renewing LICs are enriched among phenotypically undifferentiated B-ALL cells, LICs with the capacity to replenish the leukemic cellular diversity can emerge from more mature fractions. While inhibiting oxidative phosphorylation blunts blast proliferation, this intervention promotes LIC emergence. Conversely, inhibiting hypoxia and glycolysis impairs MLL-r B-ALL LICs, providing a therapeutic benefit in xenotransplantation systems. These findings provide insight into the aggressive nature of MLL-r B-ALL and provide a rationale for therapeutic targeting of hypoxia and glycolysis.

Neutrophil overstimulation plays a crucial role in tissue damage during severe infections. Neuraminidase (NEU)-mediated cleavage of surface sialic acid has been demonstrated to regulate leukocyte responses. Here, we report that antiviral NEU inhibitors constrain host NEU activity, surface sialic acid release, ROS production, and NETs released by microbial-activated human neutrophils. In vivo, treatment with Oseltamivir results in infection control and host survival in peritonitis and pneumonia models of sepsis. Single-cell RNA sequencing re-analysis of publicly data sets of respiratory tract samples from critical COVID-19 patients revealed an overexpression of NEU1 in infiltrated neutrophils. Moreover, Oseltamivir or Zanamivir treatment of whole blood cells from severe COVID-19 patients reduces host NEU-mediated shedding of cell surface sialic acid and neutrophil overactivation. These findings suggest that neuraminidase inhibitors can serve as host-directed interventions to dampen neutrophil dysfunction in severe infections.

SUMMARY Cell signaling induced cell fate determination is central to stem cell and developmental biology. Embryonic stem cells (ESC) are an attractive model for understanding the relationship between cell signaling and cell fates. Cultured mouse ESCs can exist in multiple cell states resembling distinct stages of early embryogenesis, such as Totipotent, Pluripotent, Primed and Primitive Endoderm. The signaling mechanisms regulating the Totipotent state acquisition and coexistence of these states are poorly understood. Here we identify BMP4 as an inducer of the Totipotent state. However, we discovered that BMP4-mediated induction of the Totipotent state is constrained by the cross-activation of FGF, TGF-β and WNT pathways. We exploited this finding to enhance the proportion of Totipotent cells in ESCs by rationally inhibiting these cross-activated pathways using small molecules. Single-cell mRNA-sequencing further revealed that induction of the Totipotent state is accompanied by the suppression of both the Primed and Primitive Endoderm states. Furthermore, the reprogrammed Totipotent cells generated in culture have a molecular and functional resemblance to Totipotent cell stages of preimplantation embryos. Our findings reveal a novel BMP4 signaling mechanism in ESCs to regulate multiple cell states, potentially significant for managing stem cell heterogeneity in differentiation and reprogramming.

ABSTRACT Leukemia initiating cells (LICs) fuel leukemic growth and spark relapse. Previously thought to be primitive and rare, the LIC state may actually be heterogeneous and dynamic, enabling evasion of therapies. Here, we use single-cell transcriptomics to track LIC multipotency within the cellular ontogeny of MLL -rearranged B-lymphoblastic leukemia ( MLL -r B-ALL). Although we identify rare transcriptionally and phenotypically primitive LICs, we also observe LICs emerging from more differentiated populations with the capability to replenish the full leukemic cellular diversity. We find that activation of MYC-driven oxidative phosphorylation controls this process of facultative state conversion in LICs.

Abstract Hematopoiesis is a process of constitutive regeneration whereby hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) replenish mature blood cells. During maturation and aging, HSPCs shift their output to support the demands of prenatal development and postnatal maturation both at homeostasis and in response to stress. How HSPC ontogeny changes throughout life is unknown; studies to date have largely focused on specific individual ages, particularly at single cell resolution. Here, we performed single cell RNA-seq of human HSPCs from early prenatal development into mature adulthood. We observed shifts in HSPC transcriptional states and differentiation trajectories over time. We identified age-specific gene expression patterns throughout human maturation and developed methods for identifying, prospectively purifying, and functionally validating age-specific HSC states. Together, our findings define the temporal maturation of human HSPCs and uncover principles applicable to age-biased blood diseases. Summary Single cell RNA sequencing reveals that the mechanisms of human hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) fate commitment change over a lifetime from gestation to mature adulthood.

Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) must ensure adequate blood cell production following distinct external stressors. A comprehensive understanding of in vivo heterogeneity and specificity of HSC responses to external stimuli is currently lacking. We performed single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) on functionally validated mouse HSCs and LSK (Lin-, c-Kit+, Sca1+) progenitors after in vivo perturbation of niche signals interferon, granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF), and prostaglandin. We identified six HSC states that are characterized by enrichment but not exclusive expression of marker genes. Niche perturbations induce novel and rapid transitions between these HSC states. Differential expression analysis within each state revealed HSC- and LSK-specific molecular signatures for each perturbation. Chromatin analysis of unperturbed HSCs and LSKs by scATAC-Seq revealed HSC-specific, cell intrinsic predispositions to niche signals. We compiled a comprehensive resource of HSC- and progenitor-specific chromatin and transcriptional features that represent important determinants of regenerative potential during stress hematopoiesis.