In this study, we present integrated quantitative proteome, transcriptome, and methylome analyses of hematopoietic stem cells (HSCs) and four multipotent progenitor (MPP) populations. From the characterization of more than 6,000 proteins, 27,000 transcripts, and 15,000 differentially methylated regions (DMRs), we identified coordinated changes associated with early differentiation steps. DMRs show continuous gain or loss of methylation during differentiation, and the overall change in DNA methylation correlates inversely with gene expression at key loci. Our data reveal the differential expression landscape of 493 transcription factors and 682 lncRNAs and highlight specific expression clusters operating in HSCs. We also found an unexpectedly dynamic pattern of transcript isoform regulation, suggesting a critical regulatory role during HSC differentiation, and a cell cycle/DNA repair signature associated with multipotency in MPP2 cells. This study provides a comprehensive genome-wide resource for the functional exploration of molecular, cellular, and epigenetic regulation at the top of the hematopoietic hierarchy.

Dormant hematopoietic stem cells (dHSCs) are atop the hematopoietic hierarchy. The molecular identity of dHSCs and the mechanisms regulating their maintenance or exit from dormancy remain uncertain. Here, we use single-cell RNA sequencing (RNA-seq) analysis to show that the transition from dormancy toward cell-cycle entry is a continuous developmental path associated with upregulation of biosynthetic processes rather than a stepwise progression. In addition, low Myc levels and high expression of a retinoic acid program are characteristic for dHSCs. To follow the behavior of dHSCs in situ, a Gprc5c-controlled reporter mouse was established. Treatment with all-trans retinoic acid antagonizes stress-induced activation of dHSCs by restricting protein translation and levels of reactive oxygen species (ROS) and Myc. Mice maintained on a vitamin A-free diet lose HSCs and show a disrupted re-entry into dormancy after exposure to inflammatory stress stimuli. Our results highlight the impact of dietary vitamin A on the regulation of cell-cycle-mediated stem cell plasticity. VIDEO ABSTRACT.

Highlights•Myc-depleted ESCs exhibit reversible biosynthetic dormancy and proliferation arrest•Myc expression is strongly reduced in hormonally induced diapause embryos•Myc mutant ESCs and diapause embryos have similar expression signatures•Myc depletion induces a reversible, pluripotent diapause-like state in blastocystsSummaryMouse embryonic stem cells (ESCs) are maintained in a naive ground state of pluripotency in the presence of MEK and GSK3 inhibitors. Here, we show that ground-state ESCs express low Myc levels. Deletion of both c-myc and N-myc (dKO) or pharmacological inhibition of Myc activity strongly decreases transcription, splicing, and protein synthesis, leading to proliferation arrest. This process is reversible and occurs without affecting pluripotency, suggesting that Myc-depleted stem cells enter a state of dormancy similar to embryonic diapause. Indeed, c-Myc is depleted in diapaused blastocysts, and the differential expression signatures of dKO ESCs and diapaused epiblasts are remarkably similar. Following Myc inhibition, pre-implantation blastocysts enter biosynthetic dormancy but can progress through their normal developmental program after transfer into pseudo-pregnant recipients. Our study shows that Myc controls the biosynthetic machinery of stem cells without affecting their potency, thus regulating their entry and exit from the dormant state.Graphical abstract

Summary Variability of gene expression due to stochasticity of transcription or variation of extrinsic signals, termed biological noise, is a potential driving force of cellular differentiation. While unicellular organisms exploit noise as a bet-hedging strategy, its role during multilineage differentiation of stem cells is underexplored. Utilizing single-cell RNA-sequencing to reconstruct cell state manifolds, we developed VarID2, a method for the quantification of biological noise at single-cell resolution. VarID2 reveals enhanced nuclear versus cytoplasmic noise across cell types of the peripheral blood, and distinct regulatory modes stratified by correlation between noise, expression, and chromatin accessibility. Noise levels are minimal in murine hematopoietic stem cells and increase during both differentiation and ageing. Differential noise identified myeloid-biased Dlk1+ long-term-HSCs in aged mice with enhanced quiescence and self-renewal capacity. VarID2 reveals fundamental properties of noise across cellular compartments, during stem cell differentiation and ageing, and uncovers distinct cellular sub-states invisible to conventional gene expression analysis.

Abstract Adult hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) respond directly to inflammation and infection, resulting in both acute and persistent changes to quiescence, mobilization, and differentiation. Here we show that fetal HSPCs respond to prenatal inflammation in utero , and that the fetal response shapes postnatal hematopoiesis and immunity. Heterogenous fetal HSPCs showed divergent responses to maternal immune activation (MIA), including changes in quiescence, expansion, and lineage-biased output. Single cell transcriptomic analysis of fetal HSPCs in response to MIA revealed specific upregulation of inflammatory gene profiles in discrete, transient HSC populations, that propagated expansion of lymphoid-biased progenitors. Beyond fetal development, MIA caused the inappropriate expansion and persistence of fetal lymphoid-biased progenitors postnatally, concomitant with increased cellularity and hyperresponsiveness of fetal-derived innate-like lymphocytes. Our investigation demonstrates how inflammation in utero can direct the trajectory of output and function of fetal-derived immune cells by reshaping fetal HSC establishment.

Abstract Immune cells must adapt to different environments during the course of an immune response. We studied the adaptation of CD8 + T cells to the intestinal microenvironment and how this process shapes their residency in the gut. CD8 + T cells progressively remodel their transcriptome and surface phenotype as they acquire gut residency, and downregulate expression of mitochondrial genes. Human and mouse gut-resident CD8 + T cells have reduced mitochondrial mass, but maintain a viable energy balance to sustain their function. We found that the intestinal microenvironment is rich in prostaglandin E 2 (PGE 2 ), which drives mitochondrial depolarization in CD8 + T cells. Consequently, these cells engage autophagy to clear depolarized mitochondria, and enhance glutathione synthesis to scavenge reactive oxygen species (ROS) that result from mitochondrial depolarization. Impairing PGE 2 sensing promotes CD8 + T cell accumulation in the gut, while tampering with autophagy and glutathione negatively impacts the T cell population. Thus, a PGE 2 -autophagy-glutathione axis defines the metabolic adaptation of CD8 + T cells to the intestinal microenvironment, to ultimately influence the T cell pool.

The Yolk Sac (YS) and Aorta-Gonad-Mesonephros (AGM) are two major haematopoietic regions during embryonic development. Interestingly, AGM is the only one generating haematopoietic stem cells (HSCs). To identify the difference between AGM and YS, we compared them using single-cell RNA sequencing between 9.5 and 11.5 days of mouse embryonic development and identified cell populations using CONCLUS, a new computational tool. The AGM was the only one containing neurons and a specific mesenchymal population, while the YS major component was an epithelial population expressing liver marker genes. In addition, the YS contained a major endothelial population expressing Stab2, a hyaluronan receptor, also highly expressed by liver endothelium. We demonstrated that the YS haematopoietic potential was restricted to Stab2-negative cells and that ectopic expression of Stab2 could reduce blood cell formation from endothelium. Our results indicate that the AGM is a tissue more favourable to HSCs development than the YS because of its microenvironment and the nature of its endothelial cells.