Macrophages and dendritic cells (DCs) are key components of cellular immunity and are thought to originate and renew from hematopoietic stem cells (HSCs). However, some macrophages develop in the embryo before the appearance of definitive HSCs. We thus reinvestigated macrophage development. We found that the transcription factor Myb was required for development of HSCs and all CD11b(high) monocytes and macrophages, but was dispensable for yolk sac (YS) macrophages and for the development of YS-derived F4/80(bright) macrophages in several tissues, such as liver Kupffer cells, epidermal Langerhans cells, and microglia--cell populations that all can persist in adult mice independently of HSCs. These results define a lineage of tissue macrophages that derive from the YS and are genetically distinct from HSC progeny.

To determine the origin of adult tissue-resident macrophages, a mouse lineage tracing study has revealed that these cells derive from erythro-myeloid progenitors in the yolk sac that are distinct from fetal and adult haematopoietic stem cells. The developmental origin of tissue-resident macrophage progenitors and their contribution to macrophages in fetal and adult organs relative to bone marrow macrophages are still unclear. Using lineage tracing, Elisa Gomez Perdiguero et al. identify a population of yolk-sac-derived progenitors — distinct from fetal and adult haematopoetic stem cells — that gives rise to erythrocytes, macrophages, granulocytes and monocytes in the young mouse fetus, and to the vast majority of adult tissue-resident macrophages. Most haematopoietic cells renew from adult haematopoietic stem cells (HSCs)1,2,3, however, macrophages in adult tissues can self-maintain independently of HSCs4,5,6,7. Progenitors with macrophage potential in vitro have been described in the yolk sac before emergence of HSCs8,9,10,11,12,13, and fetal macrophages13,14,15 can develop independently of Myb4, a transcription factor required for HSC16, and can persist in adult tissues4,17,18. Nevertheless, the origin of adult macrophages and the qualitative and quantitative contributions of HSC and putative non-HSC-derived progenitors are still unclear19. Here we show in mice that the vast majority of adult tissue-resident macrophages in liver (Kupffer cells), brain (microglia), epidermis (Langerhans cells) and lung (alveolar macrophages) originate from a Tie2+ (also known as Tek) cellular pathway generating Csf1r+ erythro-myeloid progenitors (EMPs) distinct from HSCs. EMPs develop in the yolk sac at embryonic day (E) 8.5, migrate and colonize the nascent fetal liver before E10.5, and give rise to fetal erythrocytes, macrophages, granulocytes and monocytes until at least E16.5. Subsequently, HSC-derived cells replace erythrocytes, granulocytes and monocytes. Kupffer cells, microglia and Langerhans cells are only marginally replaced in one-year-old mice, whereas alveolar macrophages may be progressively replaced in ageing mice. Our fate-mapping experiments identify, in the fetal liver, a sequence of yolk sac EMP-derived and HSC-derived haematopoiesis, and identify yolk sac EMPs as a common origin for tissue macrophages.

Many tissue-resident macrophages are derived from embryonic precursors. Mowat and colleagues show that embryonic precursor cells seed gut tissues but at weaning transition to a bone marrow–derived macrophage population that requires continual replenishment. The paradigm that macrophages that reside in steady-state tissues are derived from embryonic precursors has never been investigated in the intestine, which contains the largest pool of macrophages. Using fate-mapping models and monocytopenic mice, together with bone marrow chimera and parabiotic models, we found that embryonic precursor cells seeded the intestinal mucosa and demonstrated extensive in situ proliferation during the neonatal period. However, these cells did not persist in the intestine of adult mice. Instead, they were replaced around the time of weaning by the chemokine receptor CCR2–dependent influx of Ly6Chi monocytes that differentiated locally into mature, anti-inflammatory macrophages. This process was driven largely by the microbiota and had to be continued throughout adult life to maintain a normal intestinal macrophage pool.

INTRODUCTION Embryonic development and tissue homeostasis depend on cooperation between specialized cell types. Resident macrophages are professional phagocytes that survey their surroundings; eliminate unfit cells, microorganisms, and metabolic waste; and produce a large range of bioactive molecules and growth factors. Resident macrophages also serve tissue-specific purposes: For example, microglia in the central nervous system support neuronal circuit development, Kupffer cells scavenge blood particles and dying red blood cells in the liver, and alveolar macrophages uptake surfactant and remove airborne pollutants and microbes from the airways. Resident macrophage diversity in adult mice is reflected in tissue-specific gene expression profiles, which may be due to responses to specific cues from their microenvironment, different developmental processes, and the contribution of distinct progenitors cell types. Altogether, the mechanisms responsible for the generation of tissue-resident macrophage diversity remain unclear. RATIONALE Tissue-resident macrophages originate, at least in part, from mesodermal erythro-myeloid progenitors (EMPs) from the yolk sac, which invade the embryo proper at the onset of organogenesis. These tissue-resident macrophages are also self-maintained in postnatal tissues, independently of definitive hematopoietic stem cells (HSCs) in a steady state. We therefore hypothesized that resident macrophages represent a founding cell type within most organ anlagen. In this model, the generation of macrophage diversity, as observed in the tissues of postnatal mice, may be integral to organogenesis. RESULTS To test this hypothesis and explore the molecular basis of macrophage diversity in mammals, we performed a spatiotemporal analysis of macrophage development in mice, from embryonic day 9 (E9) to 3 weeks after birth. Unbiased single-cell RNA sequencing (RNA-seq) analysis of CD45 + cells, combined with RNA-seq analyses of sorted cell populations, genetic fate mapping, and in situ analyses, revealed that EMPs give rise to a population of premacrophages (pMacs) that colonize the whole embryo from E9.5, as they acquire a core macrophage differentiation program that includes pattern recognition, scavengers, and cytokine receptors. The chemokine receptor Cx3cr1 is up-regulated in pMacs and is important for embryo colonization, which is delayed in Cx3cr1 -deficient embryos. Fate mapping of pMacs using a Tnfrsf11a –Cre reporter labels homogeneously fetal and adult tissue-resident macrophages but not HSCs and their progeny. Transcriptional regulators that identify postnatal tissue-resident macrophages in the brain, liver, kidney, skin, and lung were specifically up-regulated immediately after colonization. These dynamic changes mark the onset of diversification into adult macrophages. We identified Id3 as a Kupffer cell–specific transcriptional regulator. Deletion of Id3 in pMacs resulted in Kupffer cell deficiency but did not affect development of microglia and kidney macrophages. CONCLUSION Our study shows that EMP-derived precursors colonize embryonic tissues and simultaneously acquire a full core macrophage program. This is followed by their diversification into tissue-specific macrophages during organogenesis, likely via the expression of distinct sets of transcriptional regulators. These results indicate that differentiation of tissue-resident macrophages is an integral part of organogenesis and identify a spatiotemporal molecular road map for the generation of macrophage diversity in vivo. Our findings provide a conceptual framework to analyze and understand the consequence(s) of genetic variation for macrophage contribution to development, homeostasis, and disease pathogenesis in different tissues and will support efforts to differentiate specialized macrophages in vitro.

Inflammation triggers the differentiation of Ly6Chi monocytes into microbicidal macrophages or monocyte-derived dendritic cells (moDCs). Yet, it is unclear whether environmental inflammatory cues control the polarization of monocytes toward each of these fates or whether specialized monocyte progenitor subsets exist before inflammation. Here, we have shown that naive monocytes are phenotypically heterogeneous and contain an NR4A1- and Flt3L-independent, CCR2-dependent, Flt3+CD11c−MHCII+PU.1hi subset. This subset acted as a precursor for FcγRIII+PD-L2+CD209a+, GM-CSF-dependent moDCs but was distal from the DC lineage, as shown by fate-mapping experiments using Zbtb46. By contrast, Flt3−CD11c−MHCII−PU.1lo monocytes differentiated into FcγRIII+PD-L2−CD209a−iNOS+ macrophages upon microbial stimulation. Importantly, Sfpi1 haploinsufficiency genetically distinguished the precursor activities of monocytes toward moDCs or microbicidal macrophages. Indeed, Sfpi1+/− mice had reduced Flt3+CD11c−MHCII+ monocytes and GM-CSF-dependent FcγRIII+PD-L2+CD209a+ moDCs but generated iNOS+ macrophages more efficiently. Therefore, intercellular disparities of PU.1 expression within naive monocytes segregate progenitor activity for inflammatory iNOS+ macrophages or moDCs.

In jawed vertebrates, development of an adaptive immune-system is essential for protection of the born organism against otherwise life-threatening pathogens. Myeloid cells of the innate immune system are formed early in development, whereas lymphopoiesis has been suggested to initiate much later, following emergence of definitive hematopoietic stem cells (HSCs). Herein, we demonstrate that the embryonic lymphoid commitment process initiates earlier than previously appreciated, prior to emergence of definitive HSCs, through establishment of a previously unrecognized entirely immune-restricted and lymphoid-primed progenitor. Notably, this immune-restricted progenitor appears to first emerge in the yolk sac and contributes physiologically to the establishment of lymphoid and some myeloid components of the immune-system, establishing the lymphomyeloid lineage restriction process as an early and physiologically important lineage-commitment step in mammalian hematopoiesis.

ABSTRACT Adult innate immune cells are part of a layered hematopoietic system constructed from definitive hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) with diverse origins during development. One source of HSPC are fetal hematopoietic stem cells (HSC) that provide long-term reconstitution throughout life. However, the extent to which HSC produce mature cells in utero is only recently being uncovered. This is in part due to the added complexity of an overlapping wave of definitive progenitors that derive from yolk sac erythro-myeloid progenitors (EMP). HSC and EMP are generated from spatiotemporally distinct hemogenic endothelia, yet they both migrate to the fetal liver niche where they co-habitate and are presumed to reach their full potential. Delineation of the respective HSC and EMP pathways towards developmental immune cell differentiation has been confounded by challenges in ontogeny-specific cell labeling. In this study, in vivo inducible pulse chase labeling revealed that HSC contribute little to fetal myelopoiesis and that EMP are the predominant source of mature myeloid cells until birth. This is similar to what has been reported for the erythroid branch of hematopoiesis thereby establishing a developmentally-restricted privilege for erythro-myeloid differentiation from EMP compared to HSC. Tracing the origins of mature cells to the progenitor level by immunophenotyping and single cell RNA sequencing uncovered a dichotomy in the allocation of fetal liver EMP and HSC to myeloid progenitor subsets, both in timing and lineage bias. This has exposed an uncoupling between developmental granulopoiesis and monopoiesis from EMP and HSC pathways, and provides a framework for future studies of HSC-dependent and -independent hematopoiesis. HIGHLIGHTS EMP-to-HSC switch in fetal liver myelopoiesis occurs late in gestation EMP are efficient at producing early transit amplifying erythroid and myeloid intermediates scRNA-seq reveals three trajectories of EMP myelopoiesis Myeloid lineage commitment during development is cell type and ontogeny specific

Abstract Low-grade chronic systemic inflammation, or inflammageing, is a hallmark of ageing and a risk factor for both morbidity and mortality in elderly people. Resident macrophages are tissue homeostasis sentinels that are embedded in their tissue of residence since embryonic development, thus been exposed to cumulative tissue insults throughout life. Therefore, resident macrophages, among other immune cells, emerge as potential key contributors to age-associated tissue dysfunction. Contrary to what is currently postulated, we demonstrate here that the pool of embryo-derived resident macrophages exhibits an age-dependent depletion in liver, and other solid organs and that they are not replaced by Hematopoietic Stem Cell (HSCs)-derived monocytes throughout life. Further, we demonstrate that gradual, cumulative inflammation during ageing induces this specific loss of tissue resident macrophages. Preserving a “youthful” density of resident macrophages attenuates classical hallmarks of liver age-associated dysfunction. Summary The pool of embryo-derived resident macrophages dwindles with age in most tissues, without compensation from Hematopoietic Stem Cell (HSC)-derived cells. This loss is not due to impaired self-renewal in old tissues but rather to increased cell death, which is driven by sustained inflammation. Attenuating inflammation sensing during ageing prevents age-induce macrophage loss and improves hallmarks of liver ageing.

ABSTRACT Cardiac macrophages are heterogenous in phenotype and functions, which has been associated with differences in their ontogeny. Despite extensive research, our understanding of the precise role of different subsets of macrophages in ischemia/reperfusion injury remains incomplete. We here investigated macrophage lineages and ablated tissue macrophages in homeostasis and after I/R injury in a CSF1R-dependent manner. Genomic deletion of a fms-intronic regulatory element (FIRE) in the Csf1r locus resulted in specific absence of resident homeostatic and antigen-presenting macrophages, without affecting the recruitment of monocyte-derived macrophages to the infarcted heart. Specific absence of homeostatic, monocyte-independent macrophages altered the immune cell crosstalk in response to injury and induced proinflammatory neutrophil polarization, resulting in impaired cardiac remodelling without influencing infarct size. In contrast, continuous CSF1R inhibition led to depletion of both resident and recruited macrophage populations. This augmented adverse remodelling after I/R and led to an increased infarct size and deterioration of cardiac function. In summary, resident macrophages orchestrate inflammatory responses improving cardiac remodelling, while recruited macrophages determine infarct size after I/R injury. These findings attribute distinct beneficial effects to different macrophage populations in the context of myocardial infarction. GRAPHICAL ABSTRACT