Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) are responsible for lifelong maintenance and regeneration of the blood system. With aging, loss of HSC function is a major contributor to decline in overall hematopoietic function, leading to increased rate of infection, poor vaccination response, clonal hematopoiesis, and increased risk of hematologic malignancies. While cellular and molecular hallmarks of HSC aging have been defined 1–3 , the lack of understanding of the nature and timing of the initiating events that cause HSC aging is a barrier to achieving the goal of extending healthy hematopoietic function into older age. Here we discover that hallmarks of HSC aging and myeloid-biased hematopoiesis accumulate by middle age in mice, and that the bone marrow (BM) microenvironment at middle age induces and is indispensable for hematopoietic aging phenotypes. Using unbiased transcriptome-based approaches, we identify decreased production of IGF1 by cells in the middle-aged BM microenvironment as a factor causing hematopoietic stem and progenitor cell aging and show that direct stimulation with IGF1 rescues hallmarks of hematopoietic aging. Declining IGF1 in the BM microenvironment at middle age represents a compelling target for intervention using prophylactic therapies to effectively extend healthspan and to prevent functional decline during aging.

ABSTRACT Age-associated clonal hematopoiesis (CH) occurs due to somatic mutations accrued in hematopoietic stem cells (HSCs) that confer a selective advantage in the context of aging. The mechanisms by which CH-mutant HSCs gain this advantage with aging are not comprehensively understood. Using unbiased transcriptomic approaches, we identify Oncostatin M (OSM) signaling as a candidate contributor to aging-driven Dnmt3a -mutant CH. We find that Dnmt3a -mutant HSCs from young mice do not functionally respond to acute OSM stimulation with respect to proliferation, apoptosis, hematopoietic engraftment, or myeloid differentiation. However, young Dnmt3a -mutant HSCs transcriptionally upregulate an inflammatory cytokine network in response to acute OSM stimulation including genes encoding IL-6, IL-1β and TNFα. In addition, OSM-stimulated Dnmt3a -mutant HSCs upregulate the anti-inflammatory genes Socs3, Atf3 and Nr4a1 , creating a negative feedback loop limiting sustained activation of the inflammatory network. In the context of an aged bone marrow (BM) microenvironment with chronically elevated levels of OSM, Dnmt3a -mutant HSCs upregulate pro-inflammatory genes but do not upregulate Socs3, Atf3 and Nr4a1 . Together, our work suggests that chronic inflammation with aging exhausts the regulatory mechanisms in young CH-mutant HSCs that resolve inflammatory states, and that OSM is a master regulator of an inflammatory network that contributes to age-associated CH.

Abstract Micronuclei, whole or fragmented chromosomes which are spatially separated from the main nucleus, are strongly associated with genomic instability and have been identified as drivers of tumorigenesis. Paradoxically, Kif18a mutant mice produce micronuclei due to unaligned chromosomes in vivo but do not develop spontaneous tumors, raising questions about whether all micronuclei contribute similarly to genomic instability and cancer. We report here that micronuclei in Kif18a mutant mice form stable nuclear envelopes. Challenging Kif18a mutant mice via deletion of the Trp53 gene led to formation of thymic lymphoma with elevated levels of micronuclei. However, loss of Kif18a had modest or no effect on survival of Trp53 homozygotes and heterozygotes, respectively. To further explore micronuclear envelope stability in KIF18A KO cells, we compared micronuclei induced via different insults in cultured cells. Micronuclei in KIF18A KO cells form stable nuclear envelopes characterized by increased recruitment of core and non-core nuclear envelope components and successful expansion of decondensing chromatin compared to those induced by microtubule drug washout or exposure to radiation. We also observed that lagging chromosomes, which lead to micronucleus formation, were positioned closer to the main chromatin masses, and further from the central spindle, in KIF18A KO cells. Our studies provide in vivo support to models suggesting that micronuclear fate depends on the sub-cellular location of late lagging chromosomes and suggest that not all micronuclei actively promote tumorigenesis.

Oncostatin M (OSM) is a member of the interleukin-6 (IL-6) family of cytokines and has been found to have distinct anti-inflammatory and pro-inflammatory properties in various cellular and disease contexts. OSM signals through two receptor complexes, one of which includes OSMRb. To investigate OSM-OSMRb signaling in adult hematopoiesis, we utilized the readily available conditional Osmrfl/fl mouse model B6;129-Osmrtm1.1Nat/J, which is poorly characterized in the literature. This model contains loxP sites flanking exon 2 of the Osmr gene. We crossed Osmrfl/fl mice to interferon-inducible Mx1-Cre, which is robustly induced in adult hematopoietic cells. We observed complete recombination of the Osmrfl allele and loss of exon 2 in hematopoietic (bone marrow) as well as non-hematopoietic (liver, lung, kidney) tissues. Using a TaqMan assay with probes downstream of exon 2, Osmr transcript was lower in the kidney but equivalent in bone marrow, lung, and liver from Osmrfl/fl Mx1-Cre versus Mx1-Cre control mice, suggesting that transcript is being produced despite loss of this exon. Western blots show that liver cells from Osmrfl/fl Mx1-Cre mice had complete loss of OSMR protein, while bone marrow, kidney, and lung cells had reduced OSMR protein at varying levels. RNA-seq analysis of a subpopulation of bone marrow cells (hematopoietic stem cells) finds that some OSM-stimulated genes, but not all, are suppressed in Osmrfl/fl Mx1-Cre cells. Together, our data suggest that the B6;129-Osmrtm1.1Nat/J model should be utilized with caution as loss of Osmr exon 2 has variable and tissue-dependent impact on mRNA and protein expression.

Aged hematopoietic stem cells (HSCs) undergo biased lineage priming and differentiation toward production of myeloid cells. A comprehensive understanding of gene regulatory mechanisms causing HSC aging is needed to devise new strategies to sustainably improve immune function in aged individuals. Here, a focused shRNA screen of epigenetic factors reveals that the histone acetyltransferase Kat6b regulates myeloid cell production from hematopoietic progenitor cells. Within the stem and progenitor cell compartment, Kat6b is most highly expressed in long-term (LT)-HSCs and is significantly decreased with aging at the transcript and protein levels. Knockdown of Kat6b in young LT-HSCs causes skewed production of myeloid cells both in vitro and in vivo. Transcriptome analysis identifies enrichment of aging and macrophage-associated gene signatures alongside reduced expression of self-renewal and multilineage priming signatures. Together, our work identifies KAT6B as an epigenetic regulator of LT-HSC aging and a novel target to improve aged immune function.

Abstract Clonal hematopoiesis resulting from enhanced fitness of mutant hematopoietic stem cells (HSCs) associates with both favorable and unfavorable health outcomes related to the types of mature mutant blood cells produced, but how this lineage output is regulated is unclear. Using a mouse model of a clonal hematopoiesis-associated mutation, DNMT3A R882/+ ( Dnmt3a R878H/+ ), we found that aging-induced TNFα signaling promoted the selective advantage of mutant HSCs as well as stimulated mutant B lymphoid cell production. Genetic loss of TNFα receptor TNFR1 impaired mutant HSC fitness without altering lineage output, while loss of TNFR2 reduced lymphoid cell production and favored myeloid cell production from mutant HSCs without altering overall fitness. These results support a model where clone size and mature blood lineage production can be independently controlled to harness potential beneficial aspects of clonal hematopoiesis. Statement of Significance Through identification and dissection of TNFα signaling as a key driver of murine Dnmt3a -mutant hematopoiesis, we report the discovery that clone size and production of specific mature blood cell types can be independently regulated.