ABSTRACT Changes in gene regulation and expression govern orderly transitions from hematopoietic stem cells to terminally differentiated blood cell types. These transitions are disrupted during leukemic transformation but knowledge of the gene regulatory changes underpinning this process is elusive. We hypothesised that identifying core gene regulatory networks in healthy hematopoietic and leukemic cells could provide insights into network alterations that perturb cell state transitions. A heptad of transcription factors (LYL1, TAL1, LMO2, FLI1, ERG, GATA2, RUNX1) bind key hematopoietic genes in human CD34+ haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and have prognostic significance in acute myeloid leukemia (AML). These factors also form a densely interconnected circuit by binding combinatorially at their own, and each other’s, regulatory elements. However, their mutual regulation during normal haematopoiesis and in AML cells, and how perturbation of their expression levels influences cell fate decisions remains unclear. Here, we integrated bulk and single cell data and found that the fully connected heptad circuit identified in healthy HSPCs persists with only minor alterations in AML, and that chromatin accessibility at key heptad regulatory elements was predictive of cell identity in both healthy progenitors and in leukemic cells. The heptad factors GATA2, TAL1 and ERG formed an integrated sub-circuit that regulates stem cell to erythroid transition in both healthy and leukemic cells. Components of this triad could be manipulated to facilitate erythroid transition providing a proof of concept that such regulatory circuits could be harnessed to promote specific cell type transitions and overcome dysregulated haematopoiesis.

ABSTRACT Terminally differentiated murine osteocytes and adipocytes can be reprogrammed using platelet-derived growth factor–AB and 5-Azacytidine into multipotent stem cells with stromal cell characteristics. To generate a product that is amenable for therapeutic application, we have modified and optimised culture conditions to reprogram human adipocytes into induced multipotent stem cells (iMS) and expand them in vitro . The basal transcriptomes of adipocyte-derived iMS cells and matched adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells were remarkably similar. However, there were distinct changes in histone modifications and CpG methylation at cis- regulatory regions consistent with an epigenetic landscape that was primed for tissue development and differentiation. In a non-specific tissue injury xenograft model, iMS cells contributed directly to new muscle, bone, cartilage and blood vessels with no evidence of teratogenic potential. In a cardiotoxin muscle injury model, iMS cells contributed specifically to satellite cells and myofibres without ectopic tissue formation. Taken together, human adipocyte derived iMS cells regenerate tissues in a context dependent manner without ectopic or neoplastic growth.

Summary Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) rely on a complex interplay of transcription factors (TFs) to regulate differentiation into mature blood cells. A heptad of TFs - FLI1, ERG, GATA2, RUNX1, TAL1, LYL1, LMO2 - bind regulatory elements in bulk CD34+ HSPCs. However, whether specific heptad-TF combinations have distinct roles in regulating hematopoietic differentiation remained unknown. We mapped genome-wide chromatin contacts and TF binding profiles in HSPC subsets (HSC, CMP, GMP, MEP) and found that heptad occupancy and enhancer-promoter interactions varied significantly across cell types and were associated with cell-type-specific gene expression. Distinct regulatory elements were enriched with specific heptad-TF combinations, including stem-cell-specific elements with ERG, and myeloid- and erythroid-specific elements with combinations of FLI1, RUNX1, GATA2, TAL1, LYL1, and LMO2. These findings suggest that specific heptad-TF combinations play critical roles in regulating hematopoietic differentiation and provide a valuable resource for development of targeted therapies to manipulate specific HSPC subsets.