In this study, we present integrated quantitative proteome, transcriptome, and methylome analyses of hematopoietic stem cells (HSCs) and four multipotent progenitor (MPP) populations. From the characterization of more than 6,000 proteins, 27,000 transcripts, and 15,000 differentially methylated regions (DMRs), we identified coordinated changes associated with early differentiation steps. DMRs show continuous gain or loss of methylation during differentiation, and the overall change in DNA methylation correlates inversely with gene expression at key loci. Our data reveal the differential expression landscape of 493 transcription factors and 682 lncRNAs and highlight specific expression clusters operating in HSCs. We also found an unexpectedly dynamic pattern of transcript isoform regulation, suggesting a critical regulatory role during HSC differentiation, and a cell cycle/DNA repair signature associated with multipotency in MPP2 cells. This study provides a comprehensive genome-wide resource for the functional exploration of molecular, cellular, and epigenetic regulation at the top of the hematopoietic hierarchy.

Summary

 Infections are associated with extensive platelet consumption, representing a high risk for health. However, the mechanism coordinating the rapid regeneration of the platelet pool during such stress conditions remains unclear. Here, we report that the phenotypic hematopoietic stem cell (HSC) compartment contains stem-like megakaryocyte-committed progenitors (SL-MkPs), a cell population that shares many features with multipotent HSCs and serves as a lineage-restricted emergency pool for inflammatory insults. During homeostasis, SL-MkPs are maintained in a primed but quiescent state, thus contributing little to steady-state megakaryopoiesis. Even though lineage-specific megakaryocyte transcripts are expressed, protein synthesis is suppressed. In response to acute inflammation, SL-MkPs become activated, resulting in megakaryocyte protein production from pre-existing transcripts and a maturation of SL-MkPs and other megakaryocyte progenitors. This results in an efficient replenishment of platelets that are lost during inflammatory insult. Thus, our study reveals an emergency machinery that counteracts life-threatening platelet depletions during acute inflammation.

Dormant hematopoietic stem cells (dHSCs) are atop the hematopoietic hierarchy. The molecular identity of dHSCs and the mechanisms regulating their maintenance or exit from dormancy remain uncertain. Here, we use single-cell RNA sequencing (RNA-seq) analysis to show that the transition from dormancy toward cell-cycle entry is a continuous developmental path associated with upregulation of biosynthetic processes rather than a stepwise progression. In addition, low Myc levels and high expression of a retinoic acid program are characteristic for dHSCs. To follow the behavior of dHSCs in situ, a Gprc5c-controlled reporter mouse was established. Treatment with all-trans retinoic acid antagonizes stress-induced activation of dHSCs by restricting protein translation and levels of reactive oxygen species (ROS) and Myc. Mice maintained on a vitamin A-free diet lose HSCs and show a disrupted re-entry into dormancy after exposure to inflammatory stress stimuli. Our results highlight the impact of dietary vitamin A on the regulation of cell-cycle-mediated stem cell plasticity. VIDEO ABSTRACT.