Abstract Background Hematopoietic stem cell (HSC) regeneration underlies hematopoietic recovery from myelosuppression, which is a life-threatening side effect of cytotoxicity. HSC niche is profoundly disrupted after myelosuppressive injury, while if and how the niche is reshaped and regulates HSC regeneration are poorly understood. Methods A mouse model of radiation injury-induced myelosuppression was built by exposing mice to a sublethal dose of ionizing radiation. The dynamic changes in the number, distribution and functionality of HSCs and megakaryocytes were determined by flow cytometry, immunofluorescence, colony assay and bone marrow transplantation, in combination with transcriptomic analysis. The communication between HSCs and megakaryocytes was determined using a coculture system and adoptive transfer. The signaling mechanism was investigated both in vivo and in vitro, and was consolidated using megakaryocyte-specific knockout mice and transgenic mice. Results Megakaryocytes become a predominant component of HSC niche and localize closer to HSCs after radiation injury. Meanwhile, transient insulin-like growth factor 1 (IGF1) hypersecretion is predominantly provoked in megakaryocytes after radiation injury, whereas HSCs regenerate paralleling megakaryocytic IGF1 hypersecretion. Mechanistically, HSCs are particularly susceptible to megakaryocytic IGF1 hypersecretion, and mTOR downstream of IGF1 signaling not only promotes activation including proliferation and mitochondrial oxidative metabolism of HSCs, but also inhibits ferritinophagy to restrict HSC ferroptosis. Consequently, the delicate coordination between proliferation, mitochondrial oxidative metabolism and ferroptosis ensures functional HSC expansion after radiation injury. Importantly, punctual IGF1 administration simultaneously promotes HSC regeneration and hematopoietic recovery after radiation injury, representing a superior therapeutic approach for myelosuppression. Conclusions Our study identifies megakaryocytes as a last line of defense against myelosuppressive injury and megakaryocytic IGF1 as a novel niche signal safeguarding HSC regeneration.

Hematopoietic stem cells (HSCs) employ a very unique metabolic pattern to maintain themselves, while the spectrum of their metabolic adaptations remains incompletely understood. Here, we uncover a distinct and heterogeneous serine metabolism within HSCs and identify mouse HSCs as a serine auxotroph whose maintenance relies on exogenous serine and the ensuing mitochondrial serine catabolism driven by the hydroxymethyltransferase 2 (SHMT2)-methylene-tetrahydrofolate dehydrogenase 2 (MTHFD2) axis. Mitochondrial serine catabolism primarily feeds NAD(P)H generation to maintain redox balance and thereby diminishes ferroptosis susceptibility of HSCs. Dietary serine deficiency, or genetic or pharmacological inhibition of the SHMT2-MTHFD2 axis, increases ferroptosis susceptibility of HSCs, leading to impaired maintenance of the HSC pool. Moreover, exogenous serine protects HSCs from irradiation-induced myelosuppressive injury by fueling mitochondrial serine catabolism to mitigate ferroptosis. These findings reframe the canonical view of serine from a nonessential amino acid to an essential niche metabolite for HSC pool maintenance.