Abstract Recent findings suggest that Hematopoietic Stem Cells (HSC) and progenitors arise simultaneously and independently of each other already in the embryonic aorta-gonad mesonephros region, but it is still unknown how their different features are established. Here, we uncover IκBα ( Nfkbia , the inhibitor of NF-κB) as a critical regulator of HSC proliferation throughout development. IκBα balances retinoic acid signaling levels together with the epigenetic silencer, PRC2, specifically in HSCs. Loss of IκBα decreases proliferation of HSC and induces a dormancy related gene expression signature instead. Also, IκBα deficient HSCs respond with superior activation to in vitro culture and in serial transplantation. At the molecular level, chromatin regions harboring binding motifs for retinoic acid signaling are hypo-methylated for the PRC2 dependent H3K27me3 mark in IκBα deficient HSCs. Overall, we show that the proliferation index in the developing HSCs is regulated by a IκBα-PRC2 axis, which controls retinoic acid signaling.

Summary Recent findings are challenging the classical hematopoietic model in which long-term hematopoietic stem cells (LT-HSC) are the base of the hematopoietic system. Clonal dynamics analysis of the hematopoietic system indicate that LT-HSC are not the main contributors of normal hemapoiesis in physiological conditions and the hematopoietic system is mainly maintained by multipotent progenitors (MPPs, hereafter HPC) and LT-HSCs are mostly in a non-active state. The first HSCs emerge from the aorta-gonad and mesonephros (AGM) region along with hematopoietic progenitors (HPC) within hematopoietic clusters. Molecular pathways that determine the HSC fate instead of HPC are still unknown, although inflammatory signaling, including NF-κB has been implicated in the development of HSCs. Here, we identify a chromatin binding function for IκBα (also known as the inhibitor of NF-κB) that is Polycomb repression complex 2 (PRC2)-dependent and specifically determines dormant vs proliferating HSCs from the onset of their emergence in the AGM. We find a specific reduction of LT-HSCs in the IκBα knockout new-born pups. This defect is manifested at the FL stage already, and traceable to the first emerging HSCs in the E11.5 AGM, without affecting the general HPC population. IκBα deficient LT-HSCs express dormancy signature genes, are less proliferative and can robustly respond to activation stimuli such as in vitro culture and serial transplantation. At the molecular level, we find decreased PRC2-dependent H3K27me3 at the promoters of several retinoic acid signaling elements in the IκBα - deficient aortic endothelium and E14.5 FL LT-HSCs. Additionally, IκBα binding itself is found in the promoters of retinoic acid receptors rarα in the AGM, and rarγ in the LT-HSC of FL. Overall, we demonstrate that the retinoic acid pathway is over-activated in the hematopoietic clusters of IκBα-deficient AGMs leading to premature dormancy of LT-HSCs that persists in the FL LT-HSCs.

Hematopoietic stem cells (HSCs) develop from the hemogenic endothelium in cluster structures that protrude into the embryonic aortic lumen. Although much is known about the molecular characteristics of the developing hematopoietic cells, we lack a complete understanding of their origin and the three-dimensional organization of the niche. Here we use advanced live imaging techniques of organotypic slice cultures, clonal analysis, and mathematical modelling to show the two-step process of intra-aortic hematopoietic cluster (IACH) formation. First, a hemogenic progenitor buds up from the endothelium and undergoes division forming the monoclonal core of the IAHC. Next, surrounding hemogenic cells are recruited into the IAHC, increasing their size and heterogeneity. We identified the Notch ligand Dll4 as a negative regulator of the recruitment phase of IAHC. Blocking of Dll4 promotes the entrance of new hemogenic Gfi1+ cells into the IAHC and increases the number of cells that acquire HSC activity. Mathematical modelling based on our data provides estimation of the cluster lifetime and the average recruitment time of hemogenic cells to the cluster under physiologic and Dll4-inhibited conditions.