Mesenchymal cells contribute to the ‘stroma’ of most normal and malignant tissues, with specific mesenchymal cells participating in the regulatory niches of stem cells. By examining how mesenchymal osteolineage cells modulate haematopoiesis, here we show that deletion of Dicer1 specifically in mouse osteoprogenitors, but not in mature osteoblasts, disrupts the integrity of haematopoiesis. Myelodysplasia resulted and acute myelogenous leukaemia emerged that had acquired several genetic abnormalities while having intact Dicer1. Examining gene expression altered in osteoprogenitors as a result of Dicer1 deletion showed reduced expression of Sbds, the gene mutated in Schwachman–Bodian–Diamond syndrome—a human bone marrow failure and leukaemia pre-disposition condition. Deletion of Sbds in mouse osteoprogenitors induced bone marrow dysfunction with myelodysplasia. Therefore, perturbation of specific mesenchymal subsets of stromal cells can disorder differentiation, proliferation and apoptosis of heterologous cells, and disrupt tissue homeostasis. Furthermore, primary stromal dysfunction can result in secondary neoplastic disease, supporting the concept of niche-induced oncogenesis. Although a series of genetic and epigenetic events in a single cell may be necessary for oncogenesis, it has been suggested that for malignancy to develop fully a permissive microenvironment or niche is required. Support for this view comes from a new mouse model in which haematopoietic malignancies are caused by genetic changes in the microenvironment of blood cells. Deletion in bone progenitor cells of Dicer1, a gene involved in microRNA processing, leads to a myelodysplastic syndrome-like phenotype that can progress to leukaemia. The progenitor cells have reduced levels of Sbds, the gene mutated in Schwachman–Bodian–Diamond syndrome, a bone marrow failure that predisposes to leukaemia. A new mouse model is developed in which haematopoietic malignancies are caused by genetic changes in the microenvironment of blood cells. Deletion in bone progenitor cells of Dicer1, a gene involved in microRNA processing, leads to a myelodysplastic syndrome-like phenotype which can progress to leukaemia. Deregulation of Sbds, which is mutated in human Schwachman–Bodian–Diamond syndrome, may be involved in this process.

Lineage specification is a critical issue in developmental and regenerative biology. We hypothesized that microRNAs (miRNAs) are important participants in those processes and used the poorly understood regulation of megakaryocyte-erythrocyte progenitors (MEPs) in hematopoiesis as a model system. We report here that miR-150 modulates lineage fate in MEPs. Using a novel methodology capable of profiling miRNA expression in small numbers of primary cells, we identify miR-150 as preferentially expressed in the megakaryocytic lineage. Through gain- and loss-of-function experiments, we demonstrate that miR-150 drives MEP differentiation toward megakaryocytes at the expense of erythroid cells in vitro and in vivo. Moreover, we identify the transcription factor MYB as a critical target of miR-150 in this regulation. These experiments show that miR-150 regulates MEP fate, and thus establish a role for miRNAs in lineage specification of mammalian multipotent cells.

MicroRNAs influence hematopoietic differentiation, but little is known about their effects on the stem cell state. Here, we report that the microRNA processing enzyme Dicer is essential for stem cell persistence in vivo and a specific microRNA, miR-125a, controls the size of the stem cell population by regulating hematopoietic stem/progenitor cell (HSPC) apoptosis. Conditional deletion of Dicer revealed an absolute dependence for the multipotent HSPC population in a cell-autonomous manner, with increased HSPC apoptosis in mutant animals. An evolutionarily conserved microRNA cluster containing miR-99b, let-7e, and miR-125a was preferentially expressed in long-term hematopoietic stem cells. MicroRNA miR-125a alone was capable of increasing the number of hematopoietic stem cells in vivo by more than 8-fold. This result was accomplished through a differentiation stage-specific reduction of apoptosis in immature hematopoietic progenitors, possibly through targeting multiple proapoptotic genes. Bak1 was directly down-regulated by miR-125a and expression of a 3'UTR-less Bak1 blocked miR-125a-induced hematopoietic expansion in vivo. These data demonstrate cell-state-specific regulation by microRNA and identify a unique microRNA functioning to regulate the stem cell pool size.

Abstract The role of serum response factor (Srf), a central mediator of actin dynamics and mechanical signaling, in cell identity regulation is debated to be either a cell identity stabilizer or destabilizer. We thus investigated the role of Srf in cell fate stability using mouse pluripotent stem cells, one of the very few cell types that can tolerate null Srf . Despite the fact that serum-containing cultures yield heterogeneous gene expression, deletion of Srf in mouse pluripotent stem cells leads to further exacerbated cell state heterogeneity. The exaggerated heterogeneity is not only detectible as increased lineage priming, but also as the 2C-like cell state. Thus, pluripotent cells explore more variety of cellular states in both directions of development surrounding naïve pluripotency, a behavior that is constrained by Srf. These results support that Srf functions as a cell state stabilizer, providing rationale for its functional perturbation in cell fate engineering and pathological intervention.

There is wide variability in the propensity of somatic cells to reprogram into pluripotency in response to the Yamanaka factors. How to segregate these variability to enrich for cells of specific traits that reprogram efficiently remains challenging. Here we report that the variability in reprogramming propensity is associated with the activity of the MKL1/SRF transcription factor and concurs with small cell size as well as rapid cell cycle. Reprogramming progressive cells can be prospectively identified by their low activity of a widely used synthetic promoter, CAG. CAGlow cells arise and expand during cell cycle acceleration in the early reprogramming culture of both mouse and human fibroblasts. Our work illustrate a molecular scenario underlying the distinct reprogramming propensities and demonstrate a convenient practical approach for their enrichment.

Abstract Somatic cell reprogramming is a stochastic process typically resulting in only a small fraction of cells successfully converting into induced pluripotent stem cells (iPSCs). The molecular and cellular basis underlying this stochasticity remains elusive. Here we demonstrate that this stochasticity can be largely eliminated when extracellular signal-regulated kinase (ERK) activity is tuned within a narrow range by using the MEK inhibitor at one tenth the concentration in the 2i media. Without pharmacologic inhibition, cells tune ERK activity by TFII-IΔ, a multifunctional transcription factor that binds to and mediates ERK’s nuclear activation. We find TFII-IΔ to be an actin-binding protein. ERK activity is partially inhibited as TFII-IΔ binds to actin which accumulates inside the nucleus of cells undergoing morphological remodeling. Manipulating actin’s ability to accumulate inside the nucleus alters reprogramming amenability as well cell height. Actin-TFII-IΔ drive cell height to go above the minimal height required for pluripotency (10 μm). This work uncovers a mechanistic couple between cell morphology and identity, providing convenient practices to massively increase reprogramming efficiency.

Abstract Acute lymphoblastic and myeloblastic leukemias (ALL and AML) have been known to modify the bone marrow microenvironment and disrupt non-malignant hematopoiesis. However, the molecular mechanisms driving these alterations remain poorly defined. Here we show that leukemic cells turn-off lymphopoiesis and erythropoiesis shortly after colonizing the bone marrow. ALL and AML cells express lymphotoxin-α1β2 and activate LTβR signaling in mesenchymal stem cells (MSCs), which turns off IL7 production and prevents non-malignant lymphopoiesis. We show that the DNA damage response pathway and CXCR4 signaling promote lymphotoxin-α1β2 expression in leukemic cells. Genetic or pharmacologic disruption of LTβR signaling in MSCs restores lymphopoiesis but not erythropoiesis, reduces leukemic cell growth, and significantly extends the survival of transplant recipients. Similarly, CXCR4 blocking also prevents leukemia-induced IL7 downregulation, and inhibits leukemia growth. These studies demonstrate that acute leukemias exploit physiological mechanisms governing hematopoietic output as a strategy for gaining competitive advantage. One Sentence Summary Leukemias colonize bone marrow niches and disrupt hematopoiesis. However, the cross-talk between leukemia and niche cells remains poorly understood. We show that leukemia activates LTβR in mesenchymal stem cells which suppresses IL7 production and IL7-dependent lymphopoiesis and accelerates leukemia growth.

Abstract Erythroid terminal differentiation entails cell divisions that are coupled to progressive decreases in cell size. EpoR signaling is essential for the survival of erythroid precursors, but it is unclear whether it has other functions in these cells. Here we endowed mouse precursors that lack the EpoR with survival signaling, finding that this was sufficient to support their differentiation into enucleated red cells, but that the process was abnormal. Precursors underwent fewer and slower cell cycles and yet differentiated into smaller red cells. Surprisingly, EpoR further accelerated cycling of early erythroblasts, the fastest cycling cells in the bone marrow, while simultaneously increasing their cell size. EpoR-mediated formation of larger red cells was independent of the established pathway regulating red cell size by iron through Heme-regulated eIF2α kinase (HRI). We confirmed the effect of Epo on red cell size in human volunteers, whose mean corpuscular volume (MCV) increased following Epo administration. This increase persisted after Epo declined and was not the result of increased reticulocytes. Our work reveals a unique effect of EpoR signaling on the interaction between the cell cycle and cell growth. Further, it suggests new diagnostic interpretations for increased red cell volume, as reflecting high Epo and erythropoietic stress.

Cell proliferation changes concomitantly with fate transitions during reprogramming, differentiation, regeneration, and oncogenesis. Methods to resolve cell cycle length heterogeneity in real-time are currently lacking. Here, we describe a genetically encoded fluorescent reporter that captures live cell cycle speed using a single measurement. This reporter is based on the color-changing Fluorescent Timer (FT) protein, which emits blue fluorescence when newly synthesized before maturing into a red fluorescent protein. We generated a mouse strain expressing an H2B-FT fusion reporter from a universally active locus, and demonstrate that faster-cycling cells can be distinguished from slower-cycling ones based on the intracellular fluorescence ratio between the FT’s blue and red states. Using this reporter, we reveal the native cell cycle speed distributions of fresh hematopoietic cells, and demonstrate its utility in analyzing cell proliferation in solid tissues. This system is broadly applicable for dissecting functional heterogeneity associated with cell cycle dynamics in complex tissues.

Cancer is a hyper-proliferative clonal disease. Whether the proliferative state originates from the cell-of-origin or emerges later remains elusive. By tracking de novo transformation from normal hematopoietic progenitors expressing an acute myeloid leukemia (AML) oncogene MLL-AF9, we reveal that the cell cycle rate heterogeneity among granulocyte-macrophage progenitors (GMPs) determines their probability of transformation. An intrinsic fast cell cycle kinetics at the time of oncogene expression provide permissiveness for transformation, with the fastest cycling 3% of GMPs (~0.006% of bone marrow nucleated cells) acquiring malignancy with nearly 100% efficiency. Molecularly, we propose that MLL-AF9 preserves the gene expression of the cellular states in which it is expressed. As such, when expressed in the naturally-existing, rapidly-cycling myeloid progenitors, this cell state is perpetuated, yielding malignancy. Our work elucidates one of the earliest steps toward malignancy and suggests that modifying the cycling state of the cell-of-origin could be an effective approach to prevent malignancy.