The chemokine stromal cell-derived factor 1, SDF-1, is an important regulator of leukocyte and hematopoietic precursor migration and pre-B cell proliferation. The receptor for SDF-1, CXCR4, also functions as a coreceptor for T-tropic HIV-1 entry. We find that mice deficient for CXCR4 die perinatally and display profound defects in the hematopoietic and nervous systems. CXCR4-deficient mice have severely reduced B-lymphopoiesis, reduced myelopoiesis in fetal liver, and a virtual absence of myelopoiesis in bone marrow. However, T-lymphopoiesis is unaffected. Furthermore, the cerebellum develops abnormally with an irregular external granule cell layer, ectopically located Purkinje cells, and numerous chromophilic cell clumps of abnormally migrated granule cells within the cerebellar anlage. Identical defects are observed in mice lacking SDF-1, suggesting a monogamous relationship between CXCR4 and SDF-1. This receptor-ligand selectivity is unusual among chemokines and their receptors, as is the function in migration of nonhematopoietic cells.

Generation and proliferation of early B-cell progenitors have been known to require stromal cell-derived molecules. A stromal cell line, PA6, was found to produce a soluble mediator, which was distinct from interleukin 7 (IL-7) and stem cell factor and supported the proliferation of a stromal cell-dependent pre-B-cell clone, DW34. A cDNA clone encoding this DW34 growth-stimulating factor was isolated by expression cloning. The nucleotide sequence contained a single substantial open reading frame of 267 nucleotides encoding an 89-amino acid polypeptide. The amino acid sequence of this cytokine, designated pre-B-cell growth-stimulating factor (PBSF), revealed that it is a member of intercrine alpha subfamily. Recombinant PBSF stimulated the proliferation of DW34 cells for itself and, furthermore, synergistically augmented the growth of DW34 as well as bone marrow B-cell progenitors in the presence of IL-7.

Summary

 Hematopoietic stem cells (HSCs) and their lympho-hematopoietic progeny are supported by microenvironmental niches within bone marrow; however, the identity, nature, and function of these niches remain unclear. Short-term ablation of CXC chemokine ligand (CXCL)12-abundant reticular (CAR) cells in vivo did not affect the candidate niches, bone-lining osteoblasts, or endothelial cells but severely impaired the adipogenic and osteogenic differentiation potential of marrow cells and production of the cytokines SCF and CXCL12 and led to a marked reduction in cycling lymphoid and erythroid progenitors. HSCs from CAR cell-depleted mice were reduced in number and cell size, were more quiescent, and had increased expression of early myeloid selector genes, similar to the phenotype of wild-type HSCs cultured without a niche. Thus, the niche composed of adipo-osteogenic progenitors is required for proliferation of HSCs and lymphoid and erythroid progenitors, as well as maintenance of HSCs in an undifferentiated state.

In bone marrow, hematopoiesis is thought to depend on special microenvironments known as niches that maintain blood cells. However, the identity of niches and interaction of blood cells with niches remain poorly understood. Here we identify stage-specific cellular niches for B lymphopoiesis. The earliest precursors, pre-pro-B cells and end-stage B cells, plasma cells require CXC chemokine ligand (CXCL)12. CXCL12-expressing cells are a small population of stromal cells, scattered throughout bone marrow and located some distance from the cells expressing interleukin (IL)-7. Multipotent hematopoietic progenitors are attached to the processes of CXCL12-expressing cells and pre-pro-B cells adjoin their cell bodies. Maturer pro-B cells that require IL-7 have moved away and adjoin the IL-7-expressing cells. Plasma cells again seed CXCL12-expressing cells. We demonstrate the B lymphocyte characteristic location and movement between specific niches within bone marrow during development and suggest that CXCL12 maintains the cells in the niche.

Unique among leukocytes, neutrophils follow daily cycles of release from and migration back into the bone marrow, where they are eliminated. Because removal of dying cells generates homeostatic signals, we explored whether neutrophil elimination triggers circadian events in the steady state. Here, we report that the homeostatic clearance of neutrophils provides cues that modulate the physiology of the bone marrow. We identify a population of CD62LLO CXCR4HI neutrophils that have “aged” in the circulation and are eliminated at the end of the resting period in mice. Aged neutrophils infiltrate the bone marrow and promote reductions in the size and function of the hematopoietic niche. Modulation of the niche depends on macrophages and activation of cholesterol-sensing nuclear receptors and is essential for the rhythmic egress of hematopoietic progenitors into the circulation. Our results unveil a process that synchronizes immune and hematopoietic rhythms and expand the ascribed functions of neutrophils beyond inflammation.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI5NTNlNWE4ZjU2ZTAzMGQ3NzcyYWQzNzZlYTg2NGJhOCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NjY5NDQyfQ.XP6B2OWiwmawIOsBTbbPsMjifrwaJs249a_UApw_jQyWcXpeYx_tHgpYvfB7mCL2WYb3N5UEl9kUhvcN-VjYgCF6ShZy67TGyeOn9_WRHMTyksmyGli93WM5W_9YLT2c-0Ute4FZp4oAJgz4DUJb-T4uT1yO5qIObrj8eC8G9Ic56qOBr4j7lvS4_Q1xgacVEcEsuyisTUJSbLBrSU-SiFSfWSB9lLo3JIPX-6cxZJe7h0cIoE5jV_xogDhECGpM5HeVSKHEUY8_gLUBLznebDOrSXi3C_81kGXrQ1SfCXV8JsJurPmjOr6U-UeVCklxMUgVQeDgsPXx8rvCAUv4pQ(mp4, (62.96 MB) Download video

Abstract Objective Stromal cell–derived factor 1 (SDF‐1; CXCL12/pre–B cell growth‐stimulating factor) is a dominant chemokine in bone marrow and is known to be involved in inflammatory diseases, including rheumatoid arthritis. However, its role in bone repair remains unknown. The purpose of this study was to investigate the role of SDF‐1 and its receptor, CXCR4, in bone healing. Methods The expression of SDF‐1 during the repair of a murine structural femoral bone graft was examined by real‐time polymerase chain reaction and immunohistochemical analysis. The bone graft model was treated with anti–SDF‐1 neutralizing antibody or TF14016, an antagonist for CXCR4, and evaluated by histomorphometry. The functional effect of SDF‐1 on primary mesenchymal stem cells was determined by in vitro and in vivo migration assays. New bone formation in an exchanging‐graft model was compared with that in the autograft models, using mice partially lacking SDF‐1 (SDF‐1 +/− ) or CXCR4 (CXCR4 +/− ). Results The expression of SDF1 messenger RNA was increased during the healing of live bone grafts but was not increased in dead grafts. High expression of SDF‐1 protein was observed in the periosteum of the live graft. New bone formation was inhibited by the administration of anti–SDF‐1 antibody or TF14016. SDF‐1 increased mesenchymal stem cell chemotaxis in vitro in a dose‐dependent manner. The in vivo migration study demonstrated that mesenchymal stem cells recruited by SDF‐1 participate in endochondral bone repair. Bone formation was decreased in SDF‐1 +/− and CXCR4 +/− mice and was restored by the graft bones from CXCR4 +/− mice transplanted into the SDF‐1 +/− femur, but not vice versa. Conclusion SDF‐1 is induced in the periosteum of injured bone and promotes endochondral bone repair by recruiting mesenchymal stem cells to the site of injury.