Using a mouse model of bacterial infection, Baldridge et al. show that infection with Mycobacterium avium exerts a powerful stimulatory effect on haematopoietic stem cells, and that this stimulation is mediated by interferon-γ. Circulating immune cells in the blood are consumed during infection, and this work suggests that primitive stem cells in the marrow have a role in their replacement. These findings have implications for the use of interferon-γ as a therapeutic agent during chronic infections such as HIV/AIDS or tuberculosis and for recovery from bone marrow transplantation. Using a mouse model of Mycobacterium avium infection, it is shown here that interferon-γ regulates the proliferation of primitive haematopoietic cells during chronic infection. Lymphocytes and neutrophils are rapidly depleted by systemic infection1. Progenitor cells of the haematopoietic system, such as common myeloid progenitors and common lymphoid progenitors, increase the production of immune cells to restore and maintain homeostasis during chronic infection, but the contribution of haematopoietic stem cells (HSCs) to this process is largely unknown2. Here we show, using an in vivo mouse model of Mycobacterium avium infection, that an increased proportion of long-term repopulating HSCs proliferate during M. avium infection, and that this response requires interferon-γ (IFN-γ) but not interferon-α (IFN-α) signalling. Thus, the haematopoietic response to chronic bacterial infection involves the activation not only of intermediate blood progenitors but of long-term repopulating HSCs as well. IFN-γ is sufficient to promote long-term repopulating HSC proliferation in vivo; furthermore, HSCs from IFN-γ-deficient mice have a lower proliferative rate, indicating that baseline IFN-γ tone regulates HSC activity. These findings implicate IFN-γ both as a regulator of HSCs during homeostasis and under conditions of infectious stress. Our studies contribute to a deeper understanding of haematological responses in patients with chronic infections such as HIV/AIDS or tuberculosis3,4,5.

The traditional view of hematopoiesis has been that all the cells of the peripheral blood are the progeny of a unitary homogeneous pool of hematopoietic stem cells (HSCs). Recent evidence suggests that the hematopoietic system is actually maintained by a consortium of HSC subtypes with distinct functional characteristics. We show here that myeloid-biased HSCs (My-HSCs) and lymphoid-biased HSCs (Ly-HSCs) can be purified according to their capacity for Hoechst dye efflux in combination with canonical HSC markers. These phenotypes are stable under natural (aging) or artificial (serial transplantation) stress and are exacerbated in the presence of competing HSCs. My- and Ly-HSCs respond differently to TGF-β1, presenting a possible mechanism for differential regulation of HSC subtype activation. This study demonstrates definitive isolation of lineage-biased HSC subtypes and contributes to the fundamental change in view that the hematopoietic system is maintained by a continuum of HSC subtypes, rather than a functionally uniform pool.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI1NWU0Zjk4NTJlMzM1OTUxNWMzYzMxOGIwYzdhNzUwOSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjM0NjY4ODA2fQ.Kl0XEMBrJ6M9xqEFhHhM8NiYyB5bJhi6Ot2qMGYUpGro2qfiYaNWTjhskRUo864HKj770QjP3BOXjRMkgK8lSVwcrEZ1mblUulFcuW19V7wkWej29z--vIYnbIlR_xApThgcl2sxsDSEBwDWkypPA04CEhAqy43KkZsh9159mOUyzl3APQBxpAxkttLblUL4XvzLBsgietiQ7cZBxgrallfjYPiVbdxon6lGCO0yXiVW5VM0LU4uVQd9abkQ5PPOh724IAoao7gju2batcxSwqdku8DcJZYuU-2Y6MZUvOOUuQkrCHKw7h2AvtyMlML2ss7tpGO9rln_B9fsXVQ1Cg(mp4, (35.88 MB) Download video

Hematopoietic stem cells (HSCs) continuously regenerate the hematologic system, yet few genes regulating this process have been defined. To identify candidate factors involved in differentiation and self-renewal, we have generated an expression database of hematopoietic stem cells and their differentiated progeny, including erythrocytes, granulocytes, monocytes, NK cells, activated and naive T cells, and B cells. Bioinformatic analysis revealed HSCs were more transcriptionally active than their progeny and shared a common activation mechanism with T cells. Each cell type also displayed unique biases in the regulation of particular genetic pathways, with Wnt signaling particularly enhanced in HSCs. We identified ∼100–400 genes uniquely expressed in each cell type, termed lineage "fingerprints." In overexpression studies, two of these genes, Zfp105 from the NK cell lineage, and Ets2 from the monocyte lineage, were able to significantly influence differentiation toward their respective lineages, demonstrating the utility of the fingerprints for identifying genes that regulate differentiation.

Abstract HSCs undergo dramatic changes with aging. An increase in absolute numbers of HSCs along with a functional deficit in reconstitution potential and a shift toward production of myeloid cells are the hallmarks of murine hematopoietic aging. Here, we show that high levels of the inflammatory cytokine Rantes are found in the aging stem cell milieu. Forced overproduction of Rantes by retroviral expression in BM progenitors resulted in a deficit of T-cell output, and brief ex vivo exposure of HSCs to Rantes resulted in a decrease in T-cell progeny concomitant with an increase in myeloid progenitors. In contrast, Rantes knockout (KO) animals exhibit a decrease in myeloid-biased HSCs and myeloid progenitors and an increase in T cells and lymphoid-biased HSCs. KO HSCs retained their HSC subtype distribution and they produced more lymphoid-biased HSCs in transplantations. Rantes deficiency also resulted in a decreased mammalian target of rapamycin (mTOR) activity in KLS cells. In a heterochronic transplantation setting, we further show that aged HSCs placed in a young environment generate less myeloid cells. These data establish a critical role for environmental factors in the establishment of the aged-associated myeloid skewing phenotype, which may contribute to age-associated immune deficiency.

Age-related macular degeneration (AMD) is a common cause of central visual loss in the elderly. Retinal pigment epithelial (RPE) cell loss occurs early in the course of AMD and RPE cell transplantation holds promise to slow disease progression. We report that subretinal transplantation of RPE stem cell (RPESC)-derived RPE cells (RPESC-RPE) preserved vision in a rat model of RPE cell dysfunction. Importantly, the stage of differentiation that RPESC-RPE acquired prior to transplantation influenced the efficacy of vision rescue. Whereas cells at all stages of differentiation tested rescued photoreceptor layer morphology, an intermediate stage of RPESC-RPE differentiation obtained after 4 weeks of culture was more consistent at vision rescue than progeny that were differentiated for 2 weeks or 8 weeks of culture. Our results indicate that the developmental stage of RPESC-RPE significantly influences the efficacy of RPE cell replacement, which affects the therapeutic application of these cells for AMD.

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Summary Transplantation of retinal pigment epithelial (RPE) cells holds great promise for patients with retinal degenerative diseases such as age-related macular degeneration. In-depth characterization of RPE cell product identity and critical quality attributes are needed to enhance efficacy and safety of replacement therapy strategies. Here we characterized an adult RPE stem cell-derived (RPESC-RPE) cell product using bulk and single cell RNA sequencing (sc-RNA-seq), assessing functional cell integration in vitro into a mature RPE monolayer and in vivo efficacy by vision rescue in the Royal College of Surgeons rats. scRNA-seq revealed several distinct subpopulations in the RPESC-RPE product, some with progenitor markers. We identified RPE clusters expressing genes associated with in vivo efficacy and increased cell integration capability. Gene expression analysis revealed a lncRNA (TREX) as a predictive marker of in vivo efficacy. TREX knockdown decreased cell integration while overexpression increased integration in vitro and improved vision rescue in the RCS rats.

The leptomeninges envelop the central nervous system (CNS) and contribute to cerebrospinal fluid (CSF) production and homeostasis. We analyzed the meninges overlying the anterior or posterior forebrain in the adult mouse by single nuclear RNA-sequencing (snucRNA-seq). This revealed regional differences in fibroblast and endothelial cell composition and gene expression. Surprisingly, these non-neuronal cells co-expressed genes implicated in neural functions. The regional differences changed with aging, from 3 to 18 months. Cytokine analysis revealed specific soluble factor production from anterior vs posterior meninges that also altered with age. Secreted factors from the leptomeninges from different regions and ages differentially impacted the survival of anterior or posterior cortical neuronal subsets, neuron morphology, and glia proliferation. These findings suggest that meningeal dysfunction in different brain regions could contribute to specific neural pathologies. The disease-associations of meningeal cell genes differentially expressed with region and age were significantly enriched for mental and substance abuse disorders.

Epithelial to mesenchymal transition (EMT) is a biological process involved in normal tissue morphogenesis and also in disease pathology. It causes dramatic alterations in cell morphology, migration, proliferation, and phenotype. We captured the global transcriptional and epigenetic programs elicited when polarized, cobblestone human retinal pigment epithelial (RPE) cells were stimulated to undergo EMT, a process associated with several retinal pathologies. The reorganization of chromatin landscapes occurred preferentially at distal enhancers, rather than promoter regions, accompanied by 3136 significantly changing genes. Of the 95 significantly changing transcription factors, FOXS1 was most upregulated. Loss and gain of function experiments demonstrated that FOXS1 is upstream of canonical EMT regulators, and can stimulate EMT in RPE and other epithelia. Inhibition of p38, stimulated by combined action of the EMT-inducing factors, TGFβ1 and TNFα, dampened FOXS1 expression. An increase of FOXS1 in several cancers indicates it has a role in several EMT-involved pathologies.