Abstract The transcription factor GATA2 has pivotal roles in hematopoiesis. Germline GATA2 mutations in patients result in GATA2 haploinsufficiency syndrome characterized by immunodeficiency, bone marrow failure, and predispositions to myelodysplastic syndrome (MDS) and acute myeloid leukemia (AML). Clinical symptoms in GATA2 patients are diverse and mechanisms driving GATA2 related phenotypes largely unknown. To explore the impact of GATA2 haploinsufficiency on hematopoiesis, we generated a zebrafish model carrying a heterozygous mutation of gata2b (gata2b +/− ), an orthologue of GATA2. Morphological analysis revealed myeloid and erythroid dysplasia in gata2b +/− kidney marrow (KM). single nucleus (sn)-ATAC-seq showed that the co-accessibility between the transcription start site (TSS) and a +3.5-4.1kb enhancer was more robust in gata2b +/− zebrafish HSPCs compared to wild type, increasing gata2b expression. This is suggestive of an auto-regulatory feedback mechanism, where gata2b expression remains at sufficient levels after the loss of a single allele to maintain the HSPC pool. As a result, gata2b +/− chromatin is also more accessible in the erythroid and myeloid lineage, causing several defects. scRNA-seq data revealed a differentiation delay in erythroid progenitors, hallmarked by downregulation of intrinsic signals like cytoskeletal transcripts, aberrant proliferative signatures, and downregulation of Gata1a, a master regulator of erythropoiesis, likely preceding erythroid dysplasia. This shows that the cell intrinsic compensatory mechanisms for the maintenance of normal levels of Gata2b to maintain HSPC integrity result in aberrant lineage differentiation and a preleukemia syndrome.

Summary The transcription factor GATA2 has a pivotal role in haematopoiesis. Heterozygous germline GATA2 mutations result in a syndrome characterized by immunodeficiency, bone marrow failure and predispositions to myelodysplastic syndrome (MDS) and acute myeloid leukaemia. Clinical symptoms in these patients are diverse and mechanisms driving GATA2‐related phenotypes are largely unknown. To explore the impact of GATA2 haploinsufficiency on haematopoiesis, we generated a zebrafish model carrying a heterozygous mutation of gata2b ( gata2b +/− ), an orthologue of GATA2 . Morphological analysis revealed myeloid and erythroid dysplasia in gata2b +/− kidney marrow. Because Gata2b could affect both transcription and chromatin accessibility during lineage differentiation, this was assessed by single‐cell (sc) RNA‐seq and single‐nucleus (sn) ATAC‐seq. Sn‐ATAC‐seq showed that the co‐accessibility between the transcription start site (TSS) and a −3.5–4.1 kb putative enhancer was more robust in gata2b +/− zebrafish HSPCs compared to wild type, increasing gata2b expression and resulting in higher genome‐wide Gata2b motif use in HSPCs. As a result of increased accessibility of the gata2b locus, gata2b +/− chromatin was also more accessible during lineage differentiation. scRNA‐seq data revealed myeloid differentiation defects, that is, impaired cell cycle progression, reduced expression of cebpa and cebpb and increased signatures of ribosome biogenesis. These data also revealed a differentiation delay in erythroid progenitors, aberrant proliferative signatures and down‐regulation of Gata1a , a master regulator of erythropoiesis, which worsened with age. These findings suggest that cell‐intrinsic compensatory mechanisms, needed to obtain normal levels of Gata2b in heterozygous HSPCs to maintain their integrity, result in aberrant lineage differentiation, thereby representing a critical step in the predisposition to MDS.

Hematopoietic stem cells (HSCs) are tightly controlled to keep a balance between myeloid and lymphoid cell differentiation. Gata2 is a pivotal hematopoietic transcription factor required for HSC generation and maintenance. We generated a zebrafish mutant for the mammalian Gata2 orthologue, gata2b . We found that in adult zebrafish, gata2b is required for both neutrophilic- and monocytic lineage differentiation. Single cell transcriptome analysis revealed that the myeloid defect present in Gata2b deficient zebrafish arise in the most immature hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) compartment and that this population is instead committed towards the lymphoid and erythroid lineage. Taken together, we find that Gata2b is vital for the fate choice between the myeloid and lymphoid lineages.

Abstract The first hematopoietic stem cells (HSCs) are formed through endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) events during embryonic development. The transcription factor GATA2 is a crucial regulator of EHT and HSC function throughout life. Because GATA2 haploinsufficiency patients have inborn mutations, prenatal defects are likely to have an influence on disease development. In mice, Gata2 haploinsufficiency ( Gata2 +/- ) reduces the number and the functionality of embryonic hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) generated through EHT. However, the embryonic HSPC pool is heterogeneous and the mechanisms underlying this defect in Gata2 +/- embryos are unclear. Here, we investigated whether Gata2 haploinsufficiency selectively affects a cellular subset undergoing EHT. We show that Gata2 +/- HSPCs initiate but cannot fully activate hematopoietic programming during EHT. In addition, due to reduced activity of the endothelial repressor Gfi1b, Gata2 +/- HSPCs cannot repress the endothelial identity to complete maturation. Finally, we show that hematopoietic-specific induction of gfi1b can restore HSC production in gata2b- null ( gata2b -/- ) zebrafish embryos. This study illustrates pivotal roles of Gata2 on the regulation of transcriptional network governing HSPC identity throughout EHT. Highlights Maturation of embryonic Gata2 +/- HSPCs is disturbed due to aberrant endothelial gene expression and incomplete activation of hematopoietic transcriptional programming. Gata2 activates Gfi1b to repress endothelial identity of embryonic HSPCs during maturation. Hematopoietic-specific induction of gfi1b restores the number of embryonic HSCs in gata2b -/- zebrafish.