The ets family transcription factor PU.1 is required for the development of multiple lineages of the immune system. Using retroviral transduction of PU.1 complementary DNA into mutant hematopoietic progenitors, we demonstrate that differing concentrations of the protein regulate the development of B lymphocytes as compared with macrophages. A low concentration of PU.1 protein induces the B cell fate, whereas a high concentration promotes macrophage differentiation and blocks B cell development. Conversely, a transcriptionally weakened mutant protein preferentially induces B cell generation. Our results suggest that graded expression of a transcription factor can be used to specify distinct cell fates in the hematopoietic system.

Transforming growth factor beta (TGF-β) signaling, mediated through the transcription factors Smad2 and Smad3 (Smad2/3), directs different responses in different cell types. Here we report that Smad3 co-occupies the genome with cell-type-specific master transcription factors. Thus, Smad3 occupies the genome with Oct4 in embryonic stem cells (ESCs), Myod1 in myotubes, and PU.1 in pro-B cells. We find that these master transcription factors are required for Smad3 occupancy and that TGF-β signaling largely affects the genes bound by the master transcription factors. Furthermore, we show that induction of Myod1 in nonmuscle cells is sufficient to redirect Smad3 to Myod1 sites. We conclude that cell-type-specific master transcription factors determine the genes bound by Smad2/3 and are thus responsible for orchestrating the cell-type-specific effects of TGF-β signaling.

Peyer's patches consist of domains of specialized intestinal epithelium overlying gut-associated lymphoid tissue (GALT). Luminal antigens reach the GALT by translocation through epithelial gatekeeper cells, the so-called M cells. We recently demonstrated that all epithelial cells required for the digestive functions of the intestine are generated from Lgr5-expressing stem cells. Here, we show that M cells also derive from these crypt-based Lgr5 stem cells. The Ets family transcription factor SpiB, known to control effector functions of bone marrow-derived immune cells, is specifically expressed in M cells. In SpiB(-/-) mice, M cells are entirely absent, which occurs in a cell-autonomous fashion. It has been shown that Tnfsf11 (RankL) can induce M cell development in vivo. We show that in intestinal organoid ("minigut") cultures, stimulation with RankL induces SpiB expression within 24 h and expression of other M cell markers subsequently. We conclude that RankL-induced expression of SpiB is essential for Lgr5 stem cell-derived epithelial precursors to develop into M cells.

Abstract Spi-C is an E26 transformation-specific transcription factor closely related to PU.1 and Spi-B. Spi-C has lineage-instructive functions important in antibody-generating responses, B cell development, and red pulp macrophage generation. Spi-C is inducible by heme- and NF-κB-dependent pathways in macrophages. The present research aimed to examine the regulation of Spi-C expression in B cells. RT-qPCR analysis revealed that Spic expression was reduced in B cells following addition of lipopolysaccharide, anti-IgM antibodies, CD40L, or cytokines BAFF + IL-4 + IL-5. Cytochalasin treatment partially prevented downregulation of Spic . Unstimulated B cells upregulated Spic over time in culture. To determine the mechanism of Spic regulation, we examined the Spic promoter and upstream regulatory elements. The Spic promoter had unidirectional activity, which was reduced by mutation of an NF-κB binding site. Spic was repressed by an upstream regulatory region interacting with the heme-binding regulator Bach2. Taken together, these data indicate that Spi-C is dynamically regulated by external signals in B cells and provide insight into the mechanism of regulation.

Abstract B cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) is the most prevalent type of cancer in young children and is associated with high levels of reactive oxygen species (ROS). The antioxidant N-acetylcysteine (NAC) was tested for its ability to alter disease progression in a mouse model of B-ALL. Mb1-CreΔPB mice have deletions in genes encoding PU.1 and Spi-B in B cells and develop B-ALL at 100% incidence. Treatment of Mb1-CreΔPB mice with NAC in drinking water significantly reduced the frequency of CD19 + pre-B ALL cells infiltrating the thymus at 11 weeks of age. However, treatment with NAC did not reduce leukemia progression or increase survival by median 16 weeks of age. NAC significantly altered gene expression in leukemias in treated mice. Mice treated with NAC had increased frequencies of activating mutations in genes encoding Janus Kinases 1 and 3. In particular, frequencies of Jak3 R653H mutations were increased in mice treated with NAC compared to control drinking water. NAC opposed oxidization of PTEN protein ROS in cultured leukemia cells. These results show that NAC alters leukemia progression in this mouse model, ultimately selecting for leukemias with high Jak3 R653H mutation frequencies.

Summary In mammalian cells expression of repetitive genomic sequences is repressed by heterochromatin, underscoring the potential threat of repeat expression to cellular homeostasis. However, the specific consequences of ectopic repeat expression remains unclear. Here we demonstrate that EZH2 inhibitors stimulate repeat misexpression and cell death in resting splenic B cells. We show that B cells are uniquely sensitive to these agents because of high levels of H3K27me3 at repeats and correspondingly low DNA methylation. We generated a pattern recognition receptor loss-of-function mouse model called RIC with mutations in Rigi , Ifih1 (MDA5), and Cgas to specifically block the consequences of repeat misexpression. In both WT and RIC mutant B cells, EZH2 inhibition caused focused loss of H3K27me3 at repetitive elements and upregulated their expression. However, expression of inflammatory chemokines and cell death were interrupted by the RIC mutations. Furthermore, the chemokine expression patterns induced by EZH2 inhibitors resemble the B cell response to Epstein-Barr virus infection. This study demonstrates a viral mimicry effect induced by pharmacological activation of repeat expression that induces inflammation and B cell death.

Abstract B cell development requires the ordered rearrangement of Ig genes encoding H and L chain proteins that assemble into BCRs or Abs capable of recognizing specific Ags. Ig κ rearrangement is promoted by chromatin accessibility and by relative abundance of RAG1/2 proteins. Expression of the E26-transformation-specific (ETS) transcription factor Spi-C is activated in response to double-stranded DNA breaks (DSBs) in small pre-B cells to negatively regulate pre-BCR signaling and Ig κ rearrangement. However, it is not clear if Spi-C regulates Ig κ rearrangement through transcription or by controlling RAG expression. In this study, we investigated the mechanism of Spi-C negative regulation of Ig κ light chain rearrangement. Using an inducible expression system in a pre-B cell line, we found that Spi-C negatively regulated Ig κ rearrangement, Ig κ transcript levels, and Rag1 transcript levels. We found that Ig κ and Rag1 transcript levels were increased in small pre-B cells from Spic -/- mice. In contrast, Ig κ and Rag1 transcript levels were activated by PU.1 and were decreased in small pre-B cells from PU.1-deficient mice. Using chromatin immunoprecipitation analysis, we identified an interaction site for PU.1 and Spi-C located in the Rag1 promoter region. These results suggest that Spi-C and PU.1 counterregulate Ig κ transcription and Rag1 transcription to effect Ig κ recombination in small pre-B cells.

Abstract Precursor B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) is associated with recurrent mutations that occur in cancer-initiating cells. There is a need to understand how spontaneous driver mutations influence clonal evolution in leukemia. The ETS-transcription factors PU.1 and Spi-B (encoded by Spi1 and Spib ) execute a critical role in B cell development and serve as complementary tumour suppressors by opposing the proliferative events mediated by IL-7R signaling. Here, we used a mouse model to conditionally delete Spi1 and Spib genes in developing B cells. These mice developed B-ALL with a median time to euthanasia of 18 weeks. We performed RNA and whole-exome sequencing (WES) on leukemias isolated from Mb1-CreΔPB mice and identified single-nucleotide variants (SNVs) in Jak1 , Jak3 and Ikzf3 genes, resulting in amino acid changes and in the gain of early stop-codons. JAK3 mutations resulted in amino acid substitutions located in the pseudo-kinase (R653H, V670A) and in the kinase (T844M) domains. Introduction of these mutations into wild-type pro-B cells conferred survival and proliferation advantages. We conclude that mutations in Janus kinases represent secondary drivers of leukemogenesis in the absence of Spi-B and PU.1 transcription factors. This mouse model represents an useful tool to study clonal evolution and tumour heterogeneity in B-ALL.

Differentiation of myeloid progenitor cells into macrophages is accompanied by increased PU.1 concentration and increasing cell cycle length, culminating in cell cycle arrest. Induction of PU.1 expression in a cultured myeloid cell line expressing low PU.1 concentration results in decreased levels of mRNA encoding ATP-Citrate Lyase (ACL) and cell cycle arrest. ACL is an essential enzyme for generating acetyl-CoA, a key metabolite for the first step in fatty acid synthesis as well as for histone acetylation. We hypothesized that ACL may play a role in cell cycle regulation in the myeloid lineage. In this study, we found that acetyl-CoA or acetate supplementation was sufficient to rescue cell cycle progression in cultured BN cells treated with an ACL inhibitor or induced for PU.1 expression. Acetyl-CoA supplementation was also sufficient to rescue cell cycle progression in BN cells treated with a fatty acid synthase (FASN) inhibitor. We demonstrated that acetyl-CoA was utilized in both fatty acid synthesis and histone acetylation pathways to promote proliferation. Finally, we found that Acly mRNA transcript levels decrease during normal macrophage differentiation from bone marrow precursors. Our results suggest that regulation of ACL activity is a potentially important point of control for cell cycle regulation in the myeloid lineage.

Abstract Activation-induced cytidine deaminase (AID, encoded by Aicda ) plays a key role in somatic hypermutation and class switch recombination in germinal center B cells. However, off-target effects of AID are implicated in human leukemia and lymphoma. A mouse model of precursor B cell acute lymphoblastic leukemia driven by deletion of the related transcription factors PU.1 and Spi-B revealed C->T transition mutations compatible with being induced by AID. Therefore, we hypothesized that PU.1 negatively regulates Aicda during B cell development. Aicda mRNA transcript levels were increased in leukemia cells and preleukemic bone marrow pre-B cells lacking PU.1 and/or Spi-B, relative to wild type cells. Using chromatin immunoprecipitation, PU.1 was found to interact with a negative regulatory region (R2-1) within the first intron of Aicda . CRISPR-Cas9-induced mutagenesis of R2-1 in cultured pre-B cells resulted in upregulation of Aicda in response to lipopolysaccharide stimulation. Mutation of the PU.1 interaction site and neighboring sequences resulted in reduced repressive ability of R2-1 in transient transfection analysis followed by luciferase assays. These results show that a PU.1-interacting intronic region negatively regulates Aicda transcription in developing B cells.