Transfusion of donor-derived red blood cells is the most common form of cellular therapy. Donor availability and the potential risk of alloimmunization and other transfusion-related complications may, however, limit the availability of transfusion units especially for chronically transfused patients. In-vitro cultured, customizable red blood cells would negate these concerns and introduce precision medicine. Large-scale, cost effective production depends on optimization of culture conditions. We developed a defined medium and adapted our protocols to GMP culture requirements, which reproducibly provided pure erythroid cultures from peripheral blood mononuclear cells without prior CD34+ isolation, and a 3×107-fold increase in erythroblasts in 25 days. Expanded erythroblast cultures could be differentiated to CD71dimCD235a+CD44+CD117−DRAQ5− red blood cells in 12 days. More than 90% of the cells enucleated and expressed adult hemoglobin as well as the correct blood group antigens. Deformability and oxygen binding capacity of cultured red blood cells was comparable to in-vivo reticulocytes. Daily RNA sampling during differentiation followed by RNA-seq provided a high-resolution map/resource of changes occurring during terminal erythropoiesis. The culture process was compatible with upscaling using a G-Rex bioreactor with a capacity of 1L per reactor, allowing transition towards clinical studies and small-scale applications.

Expression of the RNA-binding protein Csde1 (Cold shock domain protein e1) is strongly upregulated during erythropoiesis compared to other hematopoietic lineages. In the severe congenital anemia Diamond Blackfan Anemia (DBA), however, Csde1 expression is impaired. Reduced expression of Csde1 in healthy erythroblasts impaired their proliferation and differentiation, which suggests an important role for Csde1 in erythropoiesis. To investigate the cellular pathways controlled by Csde1 in erythropoiesis, we identified the transcripts that physically associate with Csde1 in erythroid cells. These mainly encoded proteins involved in ribogenesis, mRNA translation and protein degradation, but also proteins associated with the mitochondrial respiratory chain and mitosis. Crispr/Cas9-mediated deletion of the first cold shock domain of Csde1 affected RNA expression and/or protein expression of Csde1-bound transcripts. For instance, protein expression of Pabpc1 was enhanced while Pabpc1 mRNA expression was reduced indicating more efficient translation of Pabpc1 followed by negative feedback on mRNA stability. Overall, the effect of reduced Csde1 function on mRNA stability and translation of Csde1-bound transcripts was modest. Clones with complete loss of Csde1, however, could not be generated. We suggest that Csde1 is involved in feed-back control in protein homeostasis and that it dampens stochastic changes in mRNA expression.

Erythropoiesis is regulated at many levels, including control of mRNA translation. Changing environmental conditions, such as hypoxia, or the availability of nutrients and growth factors, require a rapid response enacted by the enhanced or repressed translation of existing transcripts. Csde1 is an RNA-binding protein required for erythropoiesis and strongly upregulated in erythroblasts relative to other hematopoietic progenitors. The aim of this study is to identify the Csde1-containing protein complexes, and investigate their role in regulating the translation of Csde1-bound transcripts. We show that Strap, also called Unrip, was the protein most strongly associated with Csde1 in erythroblasts. Strap is a WD40 protein involved in signaling and RNA splicing, but its role is unknown when associated with Csde1. Reduced expression of Strap did not alter the pool of transcripts bound by Csde1. Instead, it reduced the mRNA and/or protein expression of several Csde1-bound transcript, that encode for proteins essential for translational regulation during hypoxia, such as Hmbs, eIF4g3 and Pabpc4. Also affected by Strap knockdown were Vim, a Gata-1 target crucial for erythrocyte enucleation, and Elavl1, which stabilizes Gata-1 mRNA. Thus, we found that the Csde1/Strap complex is at the crossroad of multiple pathways governing translation in erythroblasts.

The regulation of translation initiation factor 2 (eIF2) is important for erythroid survival and differentiation. Lack of iron, a critical component of heme and hemoglobin, activates Heme Regulated Inhibitor (HRI). This results in phosphorylation of eIF2 and reduced eIF2 availability, which inhibits protein synthesis. Translation of specific transcripts such as Atf4, however, is enhanced. Upstream open reading frames (uORFs) are key to this regulation. The aim of this study is to investigate how eIF2 phosphorylation affects mRNA translation in erythroblasts. Ribosome profiling combined with RNA sequencing was used to determine translation initiation sites and ribosome density on individual transcripts. Treatment of erythroblasts with Tunicamycin (Tm) increased phosphorylation of eIF2 2-fold. At a false discovery rate of 1%, ribosome density was increased for 147 transcripts, among which transcriptional regulators such as Atf4, Tis7/Ifrd1, Pnrc2, Gtf2h, Mbd3, JunB and Kmt2e. Translation of 337 transcripts decreased more than average, among which Dym and Csde1. Ribosome profiling following Harringtonine treatment uncovered novel translation initiation sites and uORFs. Surprisingly, translated uORFs did not predict eIF2-dependent translation efficiency, but uORF identity differs. The regulation of transcription and translation factors in reponse to eIF2 phosphorylation may explain the large overall response to iron deficiency in erythroblasts.

Hematopoietic differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) provide opportunities not only for fundamental research and disease modelling/drug testing but also for large-scale production of blood effector cells for future clinical application. Although there are multiple ways to differentiate human iPSCs towards hematopoietic lineages, there is a need to develop reproducible and robust protocols. Here we introduce an efficient way to produce three major blood cell types using a standardized differentiation protocol that starts with a single hematopoietic initiation step. This system is feeder-free, avoids EB-formation, starts with a hematopoietic initiation step based on a novel single cell-derived iPSC colony differentiation and produces multi-potential progenitors within 8-10 days. Followed by lineage-specific growth factor supplementation these cells can be matured into well characterized erythroid, megakaryoid and myeloid cells with high-purity, without transcription factor overexpression or any kind of pre-purification step. This standardized differentiation system provides a simple platform to produce specific blood cells in a reproducible manner for hematopoietic development studies, disease modelling, drug testing and the potential for future therapeutic applications.

Hematopoietic stem cells differentiate into a broad range of specialized blood cells. This process is tightly regulated and depends on transcription factors, micro-RNAs, and long non-coding RNAs. Recently, also circular RNA (circRNA) were found to regulate cellular processes. Their expression pattern and their identity is however less well defined. Here, we provide the first comprehensive analysis of circRNA expression in human hematopoietic progenitors, and in differentiated lymphoid and myeloid cells. We here show that the expression of circRNA is cell-type specific, and increases upon maturation. circRNA splicing variants can also be cell-type specific. Furthermore, nucleated hematopoietic cells contain circRNA that have higher expression levels than the corresponding linear RNA. Enucleated blood cells, i.e. platelets and erythrocytes, were suggested to use RNA to maintain their function, respond to environmental factors or to transmit signals to other cells via microvesicles. Here we show that platelets and erythrocytes contain the highest number of circRNA of all hematopoietic cells, and that the type and numbers of circRNA changes during maturation. This cell-type specific expression pattern of circRNA in hematopoietic cells suggests a hithero unappreciated role in differentiation and cellular function.

Abstract Transfusion of donor-derived red blood cells (RBCs) is the most common form of cell therapy. Production of transfusion-ready cultured RBCs (cRBCs) is a promising replacement for the current fully donor-dependent therapy. However, very large number of cells are required for transfusion. Here we scale-up cRBC production from static cultures to 0.5 L stirred tank bioreactors, and identify the effect of operating conditions on the efficiency of the process. Oxygen requirement of proliferating erythroblasts (0.55-2.01 pg/cell/h) required sparging of air to maintain the dissolved oxygen concentration at the tested setpoint (2.88 mg O 2 /L). Erythroblasts could be cultured at dissolved oxygen concentrations as low as 0.7 O 2 mg/mL without negative impact on proliferation, viability or differentiation dynamics. Stirring speeds of up to 600 rpm supported erythroblast proliferation, while 1800 rpm led to a transient halt in growth and accelerated differentiation followed by a recovery after 5 days of culture. Erythroblasts could also be differentiated in bioreactors, with final enucleation levels and hemoglobin content similar to parallel cultures under static conditions. After defining optimal mixing and aeration strategies, erythroblast proliferation cultures were successfully scaled up to 3 L bioreactors.

ABSTRACT Each day, about 10 12 erythrocytes and platelets are released into the blood stream. This substantial output from hematopoietic stem cells is tightly regulated by transcriptional and epigenetic factors. Whether and how circular RNAs (circRNAs) contribute to the differentiation and/or identity of hematopoietic cells is to date not known. We recently reported that erythrocytes and platelets contain the highest levels and numbers of circRNAs amongst hematopoietic cells. Here, we provide the first detailed analysis of circRNA expression during erythroid and megakaryoid differentiation. CircRNA expression not only significantly increased upon enucleation, but also had limited overlap between progenitor cells and mature cells, suggesting that circRNA expression stems from regulated processes rather than resulting from mere accumulation. To study circRNA function in hematopoiesis, we first compared the expression levels of circRNAs with the translation efficiency of their mRNA-counterpart. We found that only 1 out of 2531 (0.04%) circRNAs associated with mRNA-translation regulation. Furthermore, irrespective of 1000s of identified putative open reading frames, deep ribosome-footprinting sequencing and mass spectrometry analysis provided little evidence for translation of endogenously expressed circRNAs. In conclusion, circRNAs alter their expression profile during terminal hematopoietic differentiation, yet their contribution to regulate cellular processes remains enigmatic.

Abstract Iron is an essential nutrient in mammalian cell cultures, conventionally supplemented as iron-loaded transferrin (holotransferrin). The high cost of human transferrin represents a challenge for the large scale production of cell therapies, such as cultured red blood cells. We evaluated the use of deferiprone, a cell membrane-permeable drug for iron chelation therapy, as an iron carrier for erythroid cultures. Iron-loaded deferiprone (Def 3 ·Fe 3+ ) at a concentration of 52μmol/L could fully replace holotransferrin during erythroblast differentiation into reticulocytes, the erythroid differentiation stage with maximal iron requirements. Reticulocytes cultured in presence of Def 3 ·Fe 3+ or holotransferrin (1000μg/mL) were similar with respect to expression of cell-surface markers CD235a and CD49d, hemoglobin content, and oxygen association/dissociation. Def 3 ·Fe 3+ also supported expansion of the erythroid compartment in vitro , except for the first stage when hematopoietic stem cells committed to erythroblasts, in which a reduced erythroblasts yield was observed. This suggests that erythroblasts acquired the potential to process Def 3 ·Fe 3+ as iron source for biosynthesis pathways. Replacement of holotransferrin by Def 3 ·Fe 3+ was also successful in cultures of six myeloid cell lines (MOLM13, NB4, EOL1, K562, HL60, ML2). These results suggest that iron-loaded deferiprone can partially replace holotransferrin in chemically defined medium formulations for the production of cultured reticulocytes and proliferation of selected myeloid cell lines. This would lead to a significant decrease in medium cost that would improve the economic perspectives of the large scale production of red blood cells for transfusion purposes. Key points Holotransferrin limitations in erythroid cultures lead to lower erythroblast yields, impaired maturation and low enucleation efficiencies. Iron-loaded deferiprone can replace holotransferrin in erythroblast expansion and differentiation cultures.