The mammalian skeletal system harbours a hierarchical system of mesenchymal stem cells, osteoprogenitors and osteoblasts sustaining lifelong bone formation. Osteogenesis is indispensable for the homeostatic renewal of bone as well as regenerative fracture healing, but these processes frequently decline in ageing organisms, leading to loss of bone mass and increased fracture incidence. Evidence indicates that the growth of blood vessels in bone and osteogenesis are coupled, but relatively little is known about the underlying cellular and molecular mechanisms. Here we identify a new capillary subtype in the murine skeletal system with distinct morphological, molecular and functional properties. These vessels are found in specific locations, mediate growth of the bone vasculature, generate distinct metabolic and molecular microenvironments, maintain perivascular osteoprogenitors and couple angiogenesis to osteogenesis. The abundance of these vessels and associated osteoprogenitors was strongly reduced in bone from aged animals, and pharmacological reversal of this decline allowed the restoration of bone mass. Bone homeostasis and repair declines with ageing and the mechanisms regulating the relationship between bone growth and blood vessel formation have remained unknown; this mouse study identifies the endothelial cells that promote the formation of new bone, a small microvessel subtype that can be identified by high CD31 and high Emcn expression. There is evidence to suggest that blood vessels, particularly their endothelial cells, control the growth, homeostasis and regeneration of organs. In two papers published in this issue of Nature, Ralf Adams and colleagues demonstrate that the bone vasculature contains endothelial cells specialized to support bone maturation and regeneration. Anjali Kusumbe et al. identify a capillary subtype in the mouse skeletal system that has a key role in mediating bone growth. These vessels contain so-called type H endothelial cells that preferentially associate with osteoprogenitors and are reduced during ageing. Hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) is shown to be crucial in maintaining the type H cells, and the fact that these cells are lost in aged animals suggests that loss of HIF-1α signalling may be involved in age-related bone changes. In the second paper, Saravana Ramasamy et al. show that blood vessel growth in bone requires Notch signalling and involves a specialized form of angiogenesis that does not involve endothelial sprouts.

Ralf H. Adams, George A. Wilkinson, Cornelia Weiss, Francesca Diella, Nicholas W. Gale, Urban Deutsch, Werner Risau, and Rüdiger Klein European Molecular Biology Laboratory, D-69117 Heidelberg, Germany; Max-Planck-Institute for Physiological and Clinical Research, W.G. Kerckhoff Institute, 61231 Bad Nauheim, Germany; Regeneron Pharmaceuticals, Inc., Tarrytown, New York 10591 USA

Summary

 The Notch pathway is a highly conserved signaling system that controls a diversity of growth, differentiation, and patterning processes. In growing blood vessels, sprouting of endothelial tip cells is inhibited by Notch signaling, which is activated by binding of the Notch receptor to its ligand Delta-like 4 (Dll4). Here, we show that the Notch ligand Jagged1 is a potent proangiogenic regulator in mice that antagonizes Dll4-Notch signaling in cells expressing Fringe family glycosyltransferases. Upon glycosylation of Notch, Dll4-Notch signaling is enhanced, whereas Jagged1 has weak signaling capacity and competes with Dll4. Our findings establish that the equilibrium between two Notch ligands with distinct spatial expression patterns and opposing functional roles regulates angiogenesis, a mechanism that might also apply to other Notch-controlled biological processes.

Blood vessel growth in bone is revealed to require Notch signalling and involve a specialized form of angiogenesis that does not involve endothelial sprouts. There is evidence to suggest that blood vessels, particularly their endothelial cells, control the growth, homeostasis and regeneration of organs. In two papers published in this issue of Nature, Ralf Adams and colleagues demonstrate that the bone vasculature contains endothelial cells specialized to support bone maturation and regeneration. Anjali Kusumbe et al. identify a capillary subtype in the mouse skeletal system that has a key role in mediating bone growth. These vessels contain so-called type H endothelial cells that preferentially associate with osteoprogenitors and are reduced during ageing. Hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) is shown to be crucial in maintaining the type H cells, and the fact that these cells are lost in aged animals suggests that loss of HIF-1α signalling may be involved in age-related bone changes. In the second paper, Saravana Ramasamy et al. show that blood vessel growth in bone requires Notch signalling and involves a specialized form of angiogenesis that does not involve endothelial sprouts. Blood vessel growth in the skeletal system and osteogenesis seem to be coupled, suggesting the existence of molecular crosstalk between endothelial and osteoblastic cells1,2. Understanding the nature of the mechanisms linking angiogenesis and bone formation should be of great relevance for improved fracture healing or prevention of bone mass loss. Here we show that vascular growth in bone involves a specialized, tissue-specific form of angiogenesis. Notch signalling promotes endothelial cell proliferation and vessel growth in postnatal long bone, which is the opposite of the well-established function of Notch and its ligand Dll4 in the endothelium of other organs and tumours3,4. Endothelial-cell-specific and inducible genetic disruption of Notch signalling in mice not only impaired bone vessel morphology and growth, but also led to reduced osteogenesis, shortening of long bones, chondrocyte defects, loss of trabeculae and decreased bone mass. On the basis of a series of genetic experiments, we conclude that skeletal defects in these mutants involved defective angiocrine release of Noggin from endothelial cells, which is positively regulated by Notch. Administration of recombinant Noggin, a secreted antagonist of bone morphogenetic proteins, restored bone growth and mineralization, chondrocyte maturation, the formation of trabeculae and osteoprogenitor numbers in endothelial-cell-specific Notch pathway mutants. These findings establish a molecular framework coupling angiogenesis, angiocrine signals and osteogenesis, which may prove significant for the development of future therapeutic applications.

Myofibroblasts are the major source of extracellular matrix components that accumulate during tissue fibrosis, and hepatic stellate cells (HSCs) are believed to be the major source of myofibroblasts in the liver. To date, robust systems to genetically manipulate these cells have not been developed. We report that Cre under control of the promoter of Pdgfrb (Pdgfrb-Cre) inactivates loxP-flanked genes in mouse HSCs with high efficiency. We used this system to delete the gene encoding α(v) integrin subunit because various α(v)-containing integrins have been suggested as central mediators of fibrosis in multiple organs. Such depletion protected mice from carbon tetrachloride-induced hepatic fibrosis, whereas global loss of β₃, β₅ or β₆ integrins or conditional loss of β₈ integrins in HSCs did not. We also found that Pdgfrb-Cre effectively targeted myofibroblasts in multiple organs, and depletion of the α(v) integrin subunit using this system was protective in other models of organ fibrosis, including pulmonary and renal fibrosis. Pharmacological blockade of α(v)-containing integrins by a small molecule (CWHM 12) attenuated both liver and lung fibrosis, including in a therapeutic manner. These data identify a core pathway that regulates fibrosis and suggest that pharmacological targeting of all α(v) integrins may have clinical utility in the treatment of patients with a broad range of fibrotic diseases.

The bone marrow microenvironment has a key role in regulating haematopoiesis, but its molecular complexity and response to stress are incompletely understood. Here we map the transcriptional landscape of mouse bone marrow vascular, perivascular and osteoblast cell populations at single-cell resolution, both at homeostasis and under conditions of stress-induced haematopoiesis. This analysis revealed previously unappreciated levels of cellular heterogeneity within the bone marrow niche and resolved cellular sources of pro-haematopoietic growth factors, chemokines and membrane-bound ligands. Our studies demonstrate a considerable transcriptional remodelling of niche elements under stress conditions, including an adipocytic skewing of perivascular cells. Among the stress-induced changes, we observed that vascular Notch delta-like ligands (encoded by Dll1 and Dll4) were downregulated. In the absence of vascular Dll4, haematopoietic stem cells prematurely induced a myeloid transcriptional program. These findings refine our understanding of the cellular architecture of the bone marrow niche, reveal a dynamic and heterogeneous molecular landscape that is highly sensitive to stress and illustrate the utility of single-cell transcriptomic data in evaluating the regulation of haematopoiesis by discrete niche populations. The transcriptional landscape of cell populations of the mouse bone marrow microenvironment, mapped at single-cell resolution, reveals cellular heterogeneity in this niche as well as substantial transcriptional remodelling under stress conditions.

Bone marrow endothelial cells (BMECs) form a network of blood vessels that regulate both leukocyte trafficking and haematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) maintenance. However, it is not clear how BMECs balance these dual roles, and whether these events occur at the same vascular site. We found that mammalian bone marrow stem cell maintenance and leukocyte trafficking are regulated by distinct blood vessel types with different permeability properties. Less permeable arterial blood vessels maintain haematopoietic stem cells in a low reactive oxygen species (ROS) state, whereas the more permeable sinusoids promote HSPC activation and are the exclusive site for immature and mature leukocyte trafficking to and from the bone marrow. A functional consequence of high permeability of blood vessels is that exposure to blood plasma increases bone marrow HSPC ROS levels, augmenting their migration and differentiation, while compromising their long-term repopulation and survival. These findings may have relevance for clinical haematopoietic stem cell transplantation and mobilization protocols. Bone marrow endothelial cells have dual roles in the regulation of haematopoietic stem cell maintenance and in the trafficking of blood cells between the bone marrow and the blood circulatory system; this study shows that these different functions are regulated by distinct types of endothelial blood vessels with different permeability properties, affecting the metabolic state of their neighbouring stem cells. Endothelial cells of the bone marrow modulate both haematopoietic stem cell (HSC) maintenance and the trafficking of blood cells out of the bone marrow. Tsvee Lapidot and colleagues find that these two aspects are controlled by two distinct types of blood vessels in the bone marrow, with different permeability properties and reactive oxygen species (ROS) levels. Less permeable arteries surrounded by pericytes maintain HSCs in a low reactive oxygen species (ROS) state, whereas the more permeable smaller sinusoids promote HSC activation and allow trafficking of immature and mature leukocytes. The authors also show that in conditions that allow for expansion of HSCs, endothelial integrity is increased, with fewer blood cells moving in and out. Disruption of the endothelial barrier has the reverse effects. Elsewhere in this issue ( page 380 ), Anjali Kusumbe et al. demonstrate that Notch signalling in endothelial cells of bone marrow induces change in the capillaries and mesenchymal stem cells of the environment to support HSC amplification.

p38alpha MAP kinase is activated in response to many cellular stresses and also regulates the differentiation and/or survival of various cell types in vitro, including skeletal muscle cells and cardiomyocytes. Here we show that targeted inactivation of the mouse p38alpha gene results in embryonic lethality at midgestation correlating with a massive reduction of the myocardium and malformation of blood vessels in the head region. However, this defect appears to be secondary to insufficient oxygen and nutrient transfer across the placenta. When the placental defect was rescued, p38alpha(-/-) embryos developed to term and were normal in appearance. Our results indicate that p38alpha is required for placental organogenesis but is not essential for other aspects of mammalian embryonic development.

The peripheral nervous system has astonishing regenerative capabilities in that cut nerves are able to reconnect and re-establish their function. Schwann cells are important players in this process, during which they dedifferentiate to a progenitor/stem cell and promote axonal regrowth. Here, we report that fibroblasts also play a key role. Upon nerve cut, ephrin-B/EphB2 signaling between fibroblasts and Schwann cells results in cell sorting, followed by directional collective cell migration of Schwann cells out of the nerve stumps to guide regrowing axons across the wound. Mechanistically, we find that cell-sorting downstream of EphB2 is mediated by the stemness factor Sox2 through N-cadherin relocalization to Schwann cell-cell contacts. In vivo, loss of EphB2 signaling impaired organized migration of Schwann cells, resulting in misdirected axonal regrowth. Our results identify a link between Ephs and Sox proteins, providing a mechanism by which progenitor cells can translate environmental cues to orchestrate the formation of new tissue.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJjZWQ0N2FiMjE5NDBjNmZlMWI3ODViNjE4MzE0N2NlMyIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjM0NzY2NzY4fQ.C9L40WF1WxNfaIgT7tMhScVdJsL1RRSzmYqN-HOcjEMbtU0BFcmvgrdU-Rtihavk5YoApN4m1P30Gq1mi0HJOJC5W3EONPt3MY2j2fV90m6tfiJ31RYxesbsIyqgyOn7jhQk0sH1iXwU4__UQXo-HKVtzHKxSEMM8whKP4LsXq93jhknrPQBL3pfhMckWx1yJ58lV0PhK1oNc6IX938ANKriShOeHjDDopKGCryrfU1LocW02zQTf3rxxnHQ-QPMiPc5_3I37rGvB41-eJPrcrs74fZYpp-58eqJKZ7H7ushPePyfySy-ouFVpHSPt69C4l79T9wzB0p5a34YyqkIg(mp4, (19.41 MB) Download video