Under stress conditions such as infection or inflammation the body rapidly needs to generate new blood cells that are adapted to the challenge. Haematopoietic cytokines are known to increase output of specific mature cells by affecting survival, expansion and differentiation of lineage-committed progenitors, but it has been debated whether long-term haematopoietic stem cells (HSCs) are susceptible to direct lineage-specifying effects of cytokines. Although genetic changes in transcription factor balance can sensitize HSCs to cytokine instruction, the initiation of HSC commitment is generally thought to be triggered by stochastic fluctuation in cell-intrinsic regulators such as lineage-specific transcription factors, leaving cytokines to ensure survival and proliferation of the progeny cells. Here we show that macrophage colony-stimulating factor (M-CSF, also called CSF1), a myeloid cytokine released during infection and inflammation, can directly induce the myeloid master regulator PU.1 and instruct myeloid cell-fate change in mouse HSCs, independently of selective survival or proliferation. Video imaging and single-cell gene expression analysis revealed that stimulation of highly purified HSCs with M-CSF in culture resulted in activation of the PU.1 promoter and an increased number of PU.1(+) cells with myeloid gene signature and differentiation potential. In vivo, high systemic levels of M-CSF directly stimulated M-CSF-receptor-dependent activation of endogenous PU.1 protein in single HSCs and induced a PU.1-dependent myeloid differentiation preference. Our data demonstrate that lineage-specific cytokines can act directly on HSCs in vitro and in vivo to instruct a change of cell identity. This fundamentally changes the current view of how HSCs respond to environmental challenge and implicates stress-induced cytokines as direct instructors of HSC fate.

Experimental and clinical evidence suggests that tumor-associated macrophages (TAMs) play important roles in cancer progression. Here, we have characterized the ontogeny and function of TAM subsets in a mouse model of metastatic ovarian cancer that is representative for visceral peritoneal metastasis. We show that the omentum is a critical premetastatic niche for development of invasive disease in this model and define a unique subset of CD163+ Tim4+ resident omental macrophages responsible for metastatic spread of ovarian cancer cells. Transcriptomic analysis showed that resident CD163+ Tim4+ omental macrophages were phenotypically distinct and maintained their resident identity during tumor growth. Selective depletion of CD163+ Tim4+ macrophages in omentum using genetic and pharmacological tools prevented tumor progression and metastatic spread of disease. These studies describe a specific role for tissue-resident macrophages in the invasive progression of metastatic ovarian cancer. The molecular pathways of cross-talk between tissue-resident macrophages and disseminated cancer cells may represent new targets to prevent metastasis and disease recurrence.

Genetic programming for self-renewal Instead of repopulating themselves from tissue-resident stem cell pools like most types of differentiated cells, tissue macrophages maintain themselves by self-renewing. The underlying genetic programs that allow for this, however, are unknown. Soucie et al. now report that in macrophages at homeostasis, a pair of transcription factors (MafB and c-Maf) bind to and repress the enhancers of genes regulating self-renewal. When macrophages need to replenish their stocks, for example in response to injury, they transiently decrease MafB and c-Maf expression so they can self-renew. A parallel pathway also operates to control the self-renewal of embryonic stem cells. Science , this issue p. 10.1126/science.aad5510

Abstract Immunosuppressed patients are highly susceptible to viral infections. Therapies reconstituting autologous antiviral immunocompetence could therefore represent an important prophylaxis and treatment. Herpesviridae including cytomegalovirus (CMV) are a major cause of morbidity and mortality in patients after hematopoietic cell transplantation (HCT). Here, we show in a mouse model of HCT that macrophage colony-stimulating factor (M-CSF/CSF-1), a key cytokine for myeloid and monocytic differentiation, promoted rapid antiviral activity and protection from viremia caused by murine CMV. Mechanistically, M-CSF stimulated a coordinated myeloid and natural killer (NK) cell differentiation program culminating in increased NK cell numbers and production of granzyme B and interferon-γ. This NK cell response depended upon M-CSF-induced myelopoiesis leading to IL15Rα-mediated presentation of IL-15 on monocytes. Furthermore, M-CSF also induced differentiation of plasmacytoid dendritic cells producing type I interferons, which supported IL-15-mediated protection. In the context of human HCT, M-CSF induced monopoiesis, increased IL15Rα expression on monocytes and elevated numbers of functionally competent NK cells in G-CSF-mobilized human hematopoietic stem and progenitor cells. Together, our data show that M-CSF induces an integrated multistep differentiation program that culminates in increased NK cell numbers and activation, thereby protecting graft recipients from CMV infection. Thus, our results identify a mechanism by which M-CSF-induced myelopoiesis can rapidly reconstitute antiviral activity during leukopenia following HCT. Key points M-CSF protects from lethal CMV viremia during leukopenia following hematopoietic cell transplantation, a vulnerable period of immunosuppression. Early action of M-CSF on donor hematopoietic stem and progenitor cells rapidly reconstitutes antiviral immune responses. M-CSF stimulates a coordinated myeloid-NK cell-differentiation program resulting in increased NK cell numbers and activity. Increased NK cell differentiation and activity depends on M-CSF-induced myelopoiesis generating IL-15-producing monocytes and I-IFN-producing pDCs. M-CSF also stimulates monopoiesis, IL15Ra expression in monocytes and functional NK cell differentiation in G-CSF-mobilized human PBMC. No impaired HCT engraftment or proclivity to graft-versus-host-disease by M-CSF. M-CSF could provide a single cytokine therapy addressing a major medical need, supporting current antiviral therapies during leukopenia following HCT. Visual abstract One Sentence Summary M-CSF drives myeloid reconstitution to support CMV-directed natural killer cell competence via IL-15/I-IFN after hematopoietic cell transplantation.