Summary

 High-risk forms of B-acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) remain a therapeutic challenge. Leukemia-initiating cells (LICs) self-renew and spark relapse and therefore have been the subject of intensive investigation; however, the properties of LICs in high-risk B-ALL are not well understood. Here, we use single-cell transcriptomics and quantitative xenotransplantation to understand LICs in MLL-rearranged (MLL-r) B-ALL. Compared with reported LIC frequencies in acute myeloid leukemia (AML), engraftable LICs in MLL-r B-ALL are abundant. Although we find that multipotent, self-renewing LICs are enriched among phenotypically undifferentiated B-ALL cells, LICs with the capacity to replenish the leukemic cellular diversity can emerge from more mature fractions. While inhibiting oxidative phosphorylation blunts blast proliferation, this intervention promotes LIC emergence. Conversely, inhibiting hypoxia and glycolysis impairs MLL-r B-ALL LICs, providing a therapeutic benefit in xenotransplantation systems. These findings provide insight into the aggressive nature of MLL-r B-ALL and provide a rationale for therapeutic targeting of hypoxia and glycolysis.

Abstract Hematopoiesis is a process of constitutive regeneration whereby hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) replenish mature blood cells. During maturation and aging, HSPCs shift their output to support the demands of prenatal development and postnatal maturation both at homeostasis and in response to stress. How HSPC ontogeny changes throughout life is unknown; studies to date have largely focused on specific individual ages, particularly at single cell resolution. Here, we performed single cell RNA-seq of human HSPCs from early prenatal development into mature adulthood. We observed shifts in HSPC transcriptional states and differentiation trajectories over time. We identified age-specific gene expression patterns throughout human maturation and developed methods for identifying, prospectively purifying, and functionally validating age-specific HSC states. Together, our findings define the temporal maturation of human HSPCs and uncover principles applicable to age-biased blood diseases. Summary Single cell RNA sequencing reveals that the mechanisms of human hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) fate commitment change over a lifetime from gestation to mature adulthood.

SUMMARY Hematopoiesis changes over life to meet the demands of maturation and aging. Here, we find that the definitive hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) compartment is remodeled from gestation into adulthood, a process regulated by the heterochronic Lin28b/ let-7 axis. Native fetal and neonatal HSPCs distribute with a pro-lymphoid/erythroid bias with a shift toward myeloid output in adulthood. By mining transcriptomic data comparing juvenile and adult HSPCs and reconstructing coordinately activated gene regulatory networks, we uncover the Polycomb repressor complex 1 (PRC1) component Cbx2 as an effector of Lin28b/ let-7 ’s control of hematopoietic maturation. We find that juvenile Cbx2 -/- hematopoietic tissues show impairment of B-lymphopoiesis and a precocious adult-like myeloid bias and that Cbx2/PRC1 regulates developmental timing of expression of key hematopoietic transcription factors. These findings define a novel mechanism of epigenetic regulation of HSPC output as a function of age with potential impact on age-biased pediatric and adult blood disorders.