To understand the role of FoxO family members in hematopoiesis, we conditionally deleted FoxO1, FoxO3, and FoxO4 in the adult hematopoietic system. FoxO-deficient mice exhibited myeloid lineage expansion, lymphoid developmental abnormalities, and a marked decrease of the lineage-negative Sca-1+, c-Kit+ (LSK) compartment that contains the short- and long-term hematopoietic stem cell (HSC) populations. FoxO-deficient bone marrow had defective long-term repopulating activity that correlated with increased cell cycling and apoptosis of HSC. Notably, there was a marked context-dependent increase in reactive oxygen species (ROS) in FoxO-deficient HSC compared with wild-type HSC that correlated with changes in expression of genes that regulate ROS. Furthermore, in vivo treatment with the antioxidative agent N-acetyl-L-cysteine resulted in reversion of the FoxO-deficient HSC phenotype. Thus, FoxO proteins play essential roles in the response to physiologic oxidative stress and thereby mediate quiescence and enhanced survival in the HSC compartment, a function that is required for its long-term regenerative potential.

To better understand the origin of leukemic stem cells, we tested the hypothesis that all leukemia oncogenes could transform committed myeloid progenitor cells lacking the capacity for self-renewal, as has recently been reported for MLL-ENL. Flow-sorted populations of common myeloid progenitors and granulocyte-monocyte progenitors were transduced with the oncogenes MOZ-TIF2 and BCR-ABL, respectively. MOZ-TIF2-transduced progenitors could be serially replated in methylcellulose cultures and continuously propagated in liquid culture, and resulted in an acute myeloid leukemia in vivo that could be serially transplanted. In contrast, BCR-ABL transduction conferred none of these properties to hematopoietic progenitors. These data demonstrate that some, but not all, leukemia oncogenes can confer properties of leukemic stem cells to hematopoietic progenitors destined to undergo apoptotic cell death.

FLT3 receptor tyrosine kinase is expressed on lymphoid and myeloid progenitors in the hematopoietic system. Activating mutations in FLT3 have been identified in approximately 30% of patients with acute myelogenous leukemia, making it one of the most common mutations observed in this disease. Frequently, the mutation is an in-frame internal tandem duplication (ITD) in the juxtamembrane region that results in constitutive activation of FLT3, and confers interleukin-3 (IL-3)–independent growth to Ba/F3 and 32D cells. FLT3-ITD mutants were cloned from primary human leukemia samples and assayed for transformation of primary hematopoietic cells using a murine bone marrow transplantation assay. FLT3-ITDs induced an oligoclonal myeloproliferative disorder in mice, characterized by splenomegaly and leukocytosis. The myeloproliferative phenotype, which was associated with extramedullary hematopoiesis in the spleen and liver, was confirmed by histopathologic and flow cytometric analysis. The disease latency of 40 to 60 days with FLT3-ITDs contrasted with wild-type FLT3 and enhanced green fluorescent protein (EGFP) controls, which did not develop hematologic disease (> 200 days). These results demonstrate that FLT3-ITD mutant proteins are sufficient to induce a myeloproliferative disorder, but are insufficient to recapitulate the AML phenotype observed in humans. Additional mutations that impair hematopoietic differentiation may be required for the development of FLT3-ITD–associated acute myeloid leukemias. This model system should be useful to assess the contribution of additional cooperating mutations and to evaluate specific FLT3 inhibitors in vivo.

Intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) is one of three immunoglobulin superfamily members that bind to the integrins lymphocyte function associated 1 (LFA-1) and Mac-1 on leukocytes. We have generated mice that are genetically and functionally deficient in ICAM-1. These mice have elevated numbers of circulating neutrophils and lymphocytes, as well as diminished allogeneic T cell responses and delayed type hypersensitivity. Mutant mice are resistant to lethal effects of high doses of endotoxin (lipopolysaccharide [LPS]), and this correlates with a significant decrease in neutrophil infiltration in the liver. Production of inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor alpha or interleukin 1 is normal in ICAM-1-deficient mice, and thus protection appears to be related to a diminution in critical leukocyte-endothelial interactions. After sensitization with D-galactosamine (D-Gal), ICAM-1-deficient mice are resistant to the lethal effect of low doses of exotoxin (Staphylococcus aureus enterotoxin B [SEB]), which has been shown to mediate its toxic effects via the activation of specific T cells. In this model, ICAM-1-mediated protection against SEB lethality correlates with a decrease in the systemic release of inflammatory cytokines, as well as with prevention of extensive hepatocyte necrosis and hemorrhage. ICAM-1-deficient mice sensitized with D-Gal, however, are not protected from lethality when challenged with low doses of endotoxin (LPS). These studies show that the different contribution of ICAM-1 in the activation of either T cells or macrophages is decisive for the fatal outcome of the shock in these two models. This work suggests that anti-ICAM-1 therapy may be beneficial in both gram-positive and -negative septic shock, either by reducing T cell activation or by diminishing neutrophil infiltration.

Recent evidence has linked intestinal permeability to mucosal inflammation, but molecular studies are lacking. Candidate regulatory molecules localized within the tight junction (TJ) include Junctional Adhesion Molecule (JAM-A), which has been implicated in the regulation of barrier function and leukocyte migration. Thus, we analyzed the intestinal mucosa of JAM-A–deficient (JAM-A−/−) mice for evidence of enhanced permeability and inflammation. Colonic mucosa from JAM-A−/− mice had normal epithelial architecture but increased polymorphonuclear leukocyte infiltration and large lymphoid aggregates not seen in wild-type controls. Barrier function experiments revealed increased mucosal permeability, as indicated by enhanced dextran flux, and decreased transepithelial electrical resistance in JAM-A−/− mice. The in vivo observations were epithelial specific, because monolayers of JAM-A−/− epithelial cells also demonstrated increased permeability. Analyses of other TJ components revealed increased expression of claudin-10 and -15 in the colonic mucosa of JAM-A−/− mice and in JAM-A small interfering RNA–treated epithelial cells. Given the observed increase in colonic inflammation and permeability, we assessed the susceptibility of JAM-A−/− mice to the induction of colitis with dextran sulfate sodium (DSS). Although DSS-treated JAM-A−/− animals had increased clinical disease compared with controls, colonic mucosa showed less injury and increased epithelial proliferation. These findings demonstrate a complex role of JAM-A in intestinal homeostasis by regulating epithelial permeability, inflammation, and proliferation.

Abstract Homozygous loss of function of Runx1 (Runt-related transcription factor 1 gene) during murine development results in an embryonic lethal phenotype characterized by a complete lack of definitive hematopoiesis. In light of recent reports of disparate requirements for hematopoietic transcription factors during development as opposed to adult hematopoiesis, we used a conditional gene-targeting strategy to effect the loss of Runx1 function in adult mice. In contrast with the critical role of Runx1 during development, Runx1 was not essential for hematopoiesis in the adult hematopoietic compartment, though a number of significant hematopoietic abnormalities were observed. Runx1 excision had lineage-specific effects on B- and T-cell maturation and pronounced inhibition of common lymphocyte progenitor production. Runx1 excision also resulted in inefficient platelet production. Of note, Runx1-deficient mice developed a mild myeloproliferative phenotype characterized by an increase in peripheral blood neutrophils, an increase in myeloid progenitor populations, and extramedullary hematopoiesis composed of maturing myeloid and erythroid elements. These findings indicate that Runx1 deficiency has markedly different consequences during development compared with adult hematopoiesis, and they provide insight into the phenotypic manifestations of Runx1 deficiency in hematopoietic malignancies.

Activation of TLRs by bacterial products results in rapid activation of genes encoding products designed to protect the host from perturbing microbes. In the intestine, which is colonized by a large and diverse population of commensal bacteria, TLR signaling may not function in a simple on/off mode. Here, we show that the flagellin receptor TLR5 has an essential and nonredundant role in protecting the gut from enteric microbes. Mice lacking TLR5 (TLR5KO mice) developed spontaneous colitis, as assessed by well-defined clinical, serologic, and histopathologic indicators of this disorder. Compared with WT littermates, TLR5KO mice that had not yet developed robust colitis exhibited decreased intestinal expression of TLR5-regulated host defense genes despite having an increased bacterial burden in the colon. In contrast, such TLR5KO mice displayed markedly increased colonic expression of hematopoietic-derived proinflammatory cytokines, suggesting that elevated levels of bacterial products may result in activation of other TLRs that drive colitis in TLR5KO mice. In accordance, deletion of TLR4 rescued the colitis of TLR5KO mice in that mice lacking both TLR4 and TLR5 also had elevated bacterial loads in the colon but lacked immunological, histopathological, and clinical evidence of colitis. That an engineered innate immune deficiency ultimately results in spontaneous intestinal inflammation supports the notion that an innate immune deficiency might underlie some instances of inflammatory bowel disease.

Microfold cells (M cells) are specialized epithelial cells situated over Peyer's patches (PP) and other organized mucosal lymphoid tissues that transport commensal bacteria and other particulate Ags into intraepithelial pockets accessed by APCs. The TNF superfamily member receptor activator of NF-kappaB ligand (RANKL) is selectively expressed by subepithelial stromal cells in PP domes. We found that RANKL null mice have <2% of wild-type levels of PP M cells and markedly diminished uptake of 200 nm diameter fluorescent beads. Ab-mediated neutralization of RANKL in adult wild-type mice also eliminated most PP M cells. The M cell deficit in RANKL null mice was corrected by systemic administration of exogenous RANKL. Treatment with RANKL also induced the differentiation of villous M cells on all small intestinal villi with the capacity for avid uptake of Salmonella and Yersinia organisms and fluorescent beads. The RANK receptor for RANKL is expressed by epithelial cells throughout the small intestine. We conclude that availability of RANKL is the critical factor controlling the differentiation of M cells from RANK-expressing intestinal epithelial precursor cells.