HHT wird in verschiedene Typen unterteilt, wobei Typ 1 am häufigsten vorkommt und durch vaskuläre Unregelmäßigkeiten und Blutungsepisoden aufgrund von CD105-Haploinsuffizienz gekennzeichnet ist. Da CD105 vor allem in ECs exprimiert wird, nutzte unsere Gruppe das VE-cadh-ERT2:cre-CD105f/f-Mausmodell, um die Auswirkungen des EC-CD105-Mangels auf das vaskuläre und hämatopoetische System des Knochenmarks von erwachsenen Mäusen zu untersuchen. Dieses Modell schuf eine Umgebung, in der ECs in erwachsenen Mäusen mit zuvor regulärer CD105-Expression in einer In-vivo-Umgebung reduzierte Werte aufwiesen, was zum ersten Mal eine Zeitraffer-Analyse der EC-Umstrukturierung als Reaktion auf CD105-Mangel ermöglichte. In der vorliegenden Studie untersuchten wir das Zusammenspiel zwischen Blutgefäßumbau und hämatopoetischen und Immunzellaktivitäten nach EC-CD105-Mangel. Insbesondere konnten wir einen zeitabhängigen vaskulären Umbauprozess im Knochenmark feststellen, der etwa vier Wochen andauerte. Dieser Umbau war durch eine allmähliche Abnahme der Größe einzelner Blutgefäße gekennzeichnet, die in Woche 4 zum Stillstand kam. Bemerkenswert ist, dass diese Schrumpfung mit Veränderungen des EC-Zyklus und der Lebensfähigkeit einherging. Insbesondere waren die ECs von cKO-Mäusen in den Wochen 2 und 3 weniger ruhig und in Woche 4 nach der Induktion des EC-CD105-Mangels weniger lebensfähig. Bemerkenswert ist, dass der Anstieg der Proliferation in Woche 2 mit einer vorübergehenden Zunahme der Bindung der VEGFR2-Gensignatur korrelierte. Neben diesen Veränderungen in der Proliferation und Lebensfähigkeit zeigten die ECs zeitabhängige Veränderungen in ihrer Adhäsions, MMP- und Integrin-Aktivität. Darüber hinaus wurden diese Veränderungen der Endothelaktivität von einer erhöhten Menge an Wachstumsfaktoren im extrazellulären Proteingehalt des Knochenmarks in Woche 2 begleitet, die in Woche 4 nicht mehr vorhanden waren, einschließlich VEGF-A. Nach intrakardialer Injektion von Brustkrebszellen wiesen Mäuse mit EC-CD105-Mangel 72 Stunden nach der Injektion weniger metastatische Knoten in ihrem Knochenmark auf als ihre WT-Wurfgeschwister, was darauf hindeutet, dass EC-CD105 ein wichtiger Akteur bei der Regulierung der Extravasation von Brustkrebs in das Knochenmark ist. Darüber hinaus stellt Woche 3 möglicherweise einen entscheidenden Zeitraum dar, in dem das Endothel des Knochenmarks anfälliger für die Infiltration verschiedener Zelltypen wird, wie der vorübergehende Anstieg von B-Zellen und Monozyten und der dauerhafte Anstieg der Neutrophilen- und Eosinophilenzahlen im Blutkreislauf zeigen. Darüber hinaus stieg die Extravasation von Dextran in das Knochenmark nach Woche 3 ebenfalls dauerhaft an. Bemerkenswert ist, dass die Zahl der Eosinophilen und Neutrophilen auch nach heterozygoter Deletion von EC-CD105 anstieg, während die Zahl der Monozyten und B-Zellen davon unberührt blieb. Als Teil der Auswirkungen des homozygoten EC-CD105-Mangels wurde die Sequestrierung von Erythrozyten und PLTs durch die Milz erhöht, was zu Splenomegalie und einem Rückgang der Erythrozyten und PLTs im Kreislauf führte. Gleichzeitig stieg die Zahl der HSPCs, die zu Erythrozyten und PLTs im Knochenmark führen, was darauf hindeutet, dass das Knochenmark die Produktion von Erythrozyten und PLTs als Ausgleichsmechanismus erhöht. Heterozygoter EC-CD105-Mangel führte auch zu einem dauerhaften Anstieg der Neutrophilen- und Eosinophilenzahlen im Blutkreislauf in Woche 3. Die Zahl der B-Zellen und Monozyten blieb jedoch unverändert. Dies korrelierte mit einem fehlenden Unterschied in der Größe der Blutgefäße in Woche 4. Dies deutet darauf hin, dass das Gefäßsystem des Knochenmarks nach einem homozygoten EC-CD105-Mangel aufgrund des Gefäßumbaus eine erhöhte Anfälligkeit für die Infiltration von B-Zellen und Monozyten aufweist. Darüber hinaus führte die heterozygote EC-CD105-Deletion nicht zu signifikanten Unterschieden in der Anzahl der Erythrozyten und PLT im Blutkreislauf. Dieser fehlende Unterschied ging einher mit einer fehlenden Splenomegalie bei diesen Mäusen und keinen signifikanten Unterschieden in der Anzahl der HSPCs, die zu Erythrozyten und PLTs in ihrem Knochenmark führen. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass ein homozygoter EC-CD105-Mangel zu einer verstärkten Sequestrierung von PLTs und RBCs in der Milz und damit zu Splenomegalie führt.:Table of Contents Acknowledgements 3 1 INTRODUCTION 9 1.1 Endoglin (CD105) 9 1.2 The endothelium and angiogenesis 12 1.3 The hematopoietic niche 17 1.4 Vascular control of hematopoiesis 21 1.4.1 EC control of oxygenation 22 1.4.2 Endothelial secretory factors and the perivascular niche 22 1.4. Remodeling of the ECM 23 1.4.4 Physical barrier separating marrow and lumen 24 1.5 β-integrin family 25 2 Aims of this thesis 28 3 MATERIALS AND METHODS 30 3.1 Tamoxifen treatment 30 3.2 Blood analysis 30 3.3 Flow cytometry and cell sorting 30 3.4 Next generation sequencing 30 3.5 Bone isolation for histological analysis 31 3.6 Bone sectioning and microscopy image acquisition 31 3.7 Dextran injection 31 3.8 Dextran area analysis 32 3.9 Breast cancer homing to bone marrow 32 3.10 Blood vessel histological analysis and calculation of distribution peak 32 3.11 Flow cytometry 33 3.12 Cell cycle analysis with Ki67 33 3.13 Cell viability analysis with Annexin V 33 3.14 Extracellular integrin staining 34 3.15 Intracellular integrin staining 34 3.16 Proteome profiler 35 3.17 Statistics 35 3.18 Breast cancer homing to bone marrow 36 3.19 Micro-computed tomography 36 4 RESULTS 39 4.1 Induced CD105-deficiency in endothelial cells of the bone marrow reduces blood vessel size 39 4.2 EC-CD105 deficiency differentially affects circulating cell populations throughout time 41 4. 3 EC-CD105 deficiency reorganizes hematopoietic progenitors in the bone marrow 45 4.4 CD105 deficiency causes vessels to remodel through endothelial cell proliferation and consequent apoptosis 48 4.5 CD105 deficiency differentially switches EC activity from angiogenic to apoptotic in a time dependent manner 51 4.6 EC-CD105 deficiency reduces EC adhesion and regulates integrin dynamics in a time dependent manner 57 4.7 Partial EC-CD105 deficiency affects immune cell dynamics in a time dependent manner 61 4.8 EC-CD105 deficiency affects cancer homing to bone marrow 65 5 DISCUSSION 67 5.1 EC-CD105 deficiency induces temporally orchestrated vasculature remodeling in the bone marrow 67 5.2 EC-CD105 deficiency affects circulating cells and the hematopoietic niche 70 5.3 EC-CD105 deficiency affects EC activity in a time dependent manner, cascading into affecting EC-circulating cell dynamics 73 5.4 EC-CD105 deficiency impairs breast cancer metastasis to bone marrow 76 6.1 Summary 79 6.2 Zussamenfassung 81 Bibliography 83 Deklaration 96 List of abbreviations 99

In dieser Arbeit wird das in vivo-Verhalten der murinen Erythro- und Granulopoese, einschließlich der hämatopoetischer Stammzellen, unter dem Einfluß von exogen appliziertem G-CSF und Erythropoietin mit Hilfe eines mathematischen Kompartimentmodelles untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekten. Zu diesem Zweck werden experimentelle Daten mit den Modellsimulationen unter Berücksichtigung verschiedener Modellannahmen verglichen. Die experimentellen Daten für die Modellentwicklung stammen zum einem kleinen Teil aus der Literatur, hauptsächlich betrachtet wurden jedoch Daten einer kooperierenden niederländischen Arbeitsgruppe. Die beiden Wachstumsfaktoren wurden kontinuierlich und simultan mittels osmotischer Minipumpen subkutan über einen längeren Zeitraum appliziert. Die experimentellen Daten werden zunächst mit Hilfe eines nichtlinearen Regressionsmodelles analysiert und quantitativ beschrieben, wobei Interaktionseffekte zwischen den Wachstumsfaktoren besondere Berücksichtigung finden. Es wird dann ein umfassendes mathematischen Differentialgleichungsmodell der murinen Erythro- und Granulopoese unter Berücksichtigung der linienübergreifenden Wachstumsfaktoreffekte und Interaktionen aufgestellt. Es wird zunächst überprüft, ob sich die beobachteten Daten unter Simultanstimulation durch die einfache Zusammenschaltung zweier bereits existierender Einzelmodelle der Erythro- und Granulopoese ohne weitere Modellannahmen erklären lassen. Dazu werden Daten von normalen als auch splenektomierten Tieren berücksichtigt. Es zeigt sich nach Prüfung verschiedener Hypothesen, dass erst unter Annahme einer durch Erythropoietin potenzierten Amplifikation der primär G-CSF-abhängigen Zellstufe der lienalen CFU-GM die experimentell beobachteten Effekte erklärt werden können. Es wird außerdem gezeigt, daß sich mit demselben Modell und denselben Modellparametern die bei splenektomierten Tieren zu beobachtetende G-CSFabhängige Entwicklung einer EPO-resistenten Anämie gut erklärt wird. In einem zweiten Teil der Arbeit wird ein Modellkonzept erarbeitet, mit welchem sich die Effekte nach Langzeitgabe von G-CSF mittels rezeptorvermitteltem G-CSF-Abbau erklären lassen. In einem dritten Teil wird geprüft, ob sich die hämatopoetische Zellzahldynamik nach Absetzen der G-CSF-Gabe durch eine aktive Rückmigration von Progenitoren aus der Milz in das Knochenmark erklären läßt. Das in dieser Arbeit entwickelte kombinierte Modell der Erythro- und Granulopoese impliziert eine Reihe von weiteren Fragen und bedarf der Überprüfung und Weiterentwicklung anhand weiterer experimenteller Daten. Dafür werden entsprechende Vorschläge erarbeitet, die weitere Einblicke in das komplexe Systemverhalten der Hämatopoese liefern könnten.

In der vorliegenden Habilitationsschrift werden biomathematische Modelle beschrieben, mit deren Hilfe unterschiedliche Wirkungen von zytotoxischen Chemotherapien beschrieben und vorhergesagt werden können. Die meisten Anwendungen beziehen sich dabei auf Therapien von Lymphomerkrankungen. Die dargestellten Modellkonzepte sind aber prinzipiell auch auf Therapien anderer Erkrankungen übertragbar. Den Hauptteil der Arbeit umfassen Modellierungen der Hämatotoxizität einer konventionellen Chemotherapie in Abhängigkeit von der Art, der Dosierung und der zeitlichen Verabfolgung der zytotoxischen Substanzen, dem Einsatz von hämatopoetischen Wachstumsfaktoren und individuellen Risikofaktoren. Hierbei wurde die Hämatopoese im Knochenmark, die Pharmakokinetik und -dynamik hämatopoetischer Wachstumsfaktoren sowie die Wirkung der Chemotherapie mit Hilfe gewöhnlicher Differentialgleichungssysteme beschrieben. Ähnliche Modellierungen der murinen Hämatopoese begleitet und beeinflussen diese Arbeiten. Die Modelle ermöglichen eine Reihe von klinisch relevanten Vorhersagen, insbesondere bezüglich risikoadaptierter Therapien und Optimierung der Gabe von G-CSF. Diese wurden teilweise in später durchgeführten klinischen Studien validiert. Des Weiteren wurde das Risiko des Auftretens sekundärer hämatologischer Malignitäten in Abhängigkeit von den eingesetzten Primär- und Rezidivtherapien mittels statistischer Modelle beschrieben. Hierbei stand speziell die Frage im Vordergrund, wie sich entsprechende multiparametrische Modelle geeignet reduzieren lassen, um überhaupt parametrisiert werden zu können. Abschließend wird ein Konzept für ein immunologisches Tumormodell vorgeschlagen, mit dessen Hilfe perspektivisch die Tumorkontrolle unter kombinierten Chemo- und Immuntherapien des CD20 positiven B-Zelllymphoms vorhergesagt werden könnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten mathematischen Modelle und Modellkonzepte stellen einen Beitrag zur Planung von klinischen Studien mittels systembiologischer Modelle dar.

Das Eukaryotische-Initiations faktor-4E Bindungsprotein (4E-BP) ist ein Inhibitor der Translationsinitiation. Nicht-phosphoryliertes 4E-BP bindet an den eukaryotischen Initiationsfaktor 4E (eIF4E). Diese Bindung blockiert die Rekrutierung des Initiationskomplexes eIF4F an die Cap-Struktur des 5´Endes von eukaryotischen zellulären mRNAs, was die Initiation der Translation verhindert. Phosphorylierung von 4E-BP durch die mTOR Kinase führt zur Dissoziation des 4E-BP/eIF4E Komplexes und erhöht die Verfügbarkeit von eIF4E, dies wird mit Zellproliferation assoziiert. Die Aktivität von eIF4E wird nicht nur von 4E-BP, sondern auch durch Phosporylierung reguliert, welche wiederum durch die "MAP-Kinase-Interacting-Protein-Kinase" (MNK) reguliert wird. Drei Isoformen von 4E-BP sind bekannt: 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 und 4E-BP2 sind an oxidativem und adipogenetischen Stress beteiligt. Beide Proteine werden im h?matopoetischen System gleich exprimiert, wohingegen 4E-BP3 nicht detektiert wird. 4E-BP1 wird während der Erythroblasten-Proliferation phosphoryliert. Aus diesem Grund habe ich die Hämatopoese und die durch Phenylhydrazine (PHZ) induzierte Stress-Erythropoese in 4E-BP1 und 4E-BP2 Knock-Out Mäusen und 4E-BP1,2 Doppel-Knock-Out Mäusen analysiert. Ich konnte zeigen, dass die Hämatopoese in 4E-BPs defizienten Mäusen nicht beeinflusst wird. Allerdings zeigten 4E-BP1,2-/- und 4E-BP2-/- Mäuse eine verspätete Antwort auf Phenylhydrazin (PHZ) induzierten erythropoetischen Stress. Gleichzeitig war die mRNA Translation von GATA-1, ein essentieller erythropoetischer Transkriptionsfaktor in Erythroblasten runterreguliert. Die Signaltransduktionswege mTOR und MNK1 waren bei erythropoetischen Stress aktiviert. Diese Daten zeigen, dass 4E-BP2, aber nicht 4E-BP1, notwendig ist um auf erythropoetischen Stress zu reagieren und deuten an, dass die 4E-BP gesteuerte translations-regulierende Maschinerie eine Rolle in der Stress-Erythropoese spielt. / Translational regulation allows an organism to generate fast responses to environmental changes quickly. Eukaryotic initiation factor 4E binding protein (4E-BP) is an inhibitor of translation initiation. Unphosphorylated 4E-BP binds to eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E) blocking recruitment of the initiation complex eIF4F to the cap structure at the 5´ terminus of eukaryotic cellular mRNAs. Thus initiation of translation is blocked. Phosphorylation of 4E-BP by the mTOR kinase causes disassociation of the 4E-BP/eIF4E complex and increases the availability of eIF4E. EIF4E activity is not only regulated by 4E-BP, but also phosphorylation which is regulated by MAP kinase - interacting protein kinase (MNK). Three isoforms of 4E-BP are known, termed 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 and 4E-BP2 are involved in oxidative and adipogenetic stresses in vivo. They are equally expressed in hematopoietic system, whereas 4E-BP3 is not detected. 4E-BP1 is phosphorylated during erythroblast proliferation. Erythroid differentiation is blocked by overexpresssion of eIF4E in tissue culture. These studies implied that 4E-BPs might play role in response to erythropoietic stress. I examined hematopoiesis and phenylhydrazine (PHZ) induced stress erythropoiesis in 4E-BP1 and 4E-BP2 individual knock out mice and 4E-BP1,2 compound knock out mice. I found that the hematopoiesis of 4E-BPs deficient mice were unaffected. However, 4E-BP1,2-/- and 4E-BP2-/- mice showed delayed response to phenylhydrazine (PHZ) induced erythropoietic stress. Simultaneously, the mRNA translation of GATA-1, which is the essential erythroid transcription factor, was downregulated in their erythroblasts. The signaling pathways through the mTOR and MNK1 were activated in erythropoietic stress. These data showed that 4E-BP2 but not 4E-BP1 was required for the response to erythropoietic stress and suggested that 4E-BP related translation regulatory machinery played a role in stress erythropoiesis.

Der CCAAT enhancer binding protein beta (C/EBPβ) Transkriptionsfaktor reguliert die Differenzierung, Proliferation und Funktion vieler Zelltypen, einschließlich verschiedener Zellen des Immunsystems. Eine detaillierte molekulare Analyse des Mechanismus, wie C/EBPβ alternative Zellschicksale steuert, wurde jedoch bisher noch nicht unternommen. Es wurde gezeigt, dass die ektopische Expression von C/EBPβ in determinierten B- Vorläuferzellen diese zu inflammatorischen Makrophagen reprogrammieren kann. Wir haben dieses Reprogrammierungsystem verwendet, um die Strukturelemente in C/EBPβ, die für die Regulation der (Trans)Differenzierung durch C/EBPβ wichtig sind, zu untersuchen. Um die maßgeblichen C/EBPβ Proteinmodule für die Reprogrammierung zu bestimmen, wurden entweder C/EBPβ Wildtyp Isoformen oder Mutanten in primären murinen B-Vorläuferzellen ektopisch exprimiert. Die Analysen ergaben, dass die translational regulierten langen Isoformen LAP* and LAP, jedoch nicht die kurze Isoform LIP lymphoide Zellen zu myeloischen Zellen reprogrammieren können. Des weiteren haben wir gezeigt, dass die konservierten Regionen 2, 3 und 4 der C/EBPβ Transaktivierungsdomäne essentiell und ausreichend für die Konvertierung von B Zellen zu myeloischen Zellen sind. Die reprogrammierten myeloischen Zellen setzten sich aus einer heterogenen Population verschiedener myeloischer Zelltypen zusammen. Detaillierte Analysen von CD11b+ reprogrammierten Zellen zeigten, dass diskrete konservierte Regionen von C/EBPβ verschiedene pro- und anti-inflammatorische Gene und divergente Entwicklungsprogramme aktivierten. Des Weiteren führten nicht nur strukturelle C/EBPβ Mutanten sondern auch Puktmutationen an Stellen, die posttranslationalen Modifikationen (PTM) unterliegen, zu verschiedenen Reprogrammierungsergebnissen. Diese Daten zeigen, dass die C/EBPβ abhängige myeloische Diversifikation durch die Integration von strukturellen C/EBPβ Proteinmodulen und deren signalabhängigen PTMs erreicht wird. / The CCAAT enhancer binding protein beta (C/EBPβ) transcription factor regulates differentiation, proliferation, and functionality of many cell types, including various cells of the immune system. A detailed molecular understanding of how C/EBPβ directs alternative cell fates remains largely elusive. Ectopic expression of C/EBPβ has been previously shown to reprogram committed B cell progenitors into inflammatory macrophages. We took advantage of this reprogramming system in order to examine how C/EBPβ regulates (trans)differentiation. To determine which C/EBPβ protein modules are important for reprogramming, C/EBPβ wild type isoforms and mutants were ectopically expressed in primary mouse B cell progenitors. The data showed that the translationally regulated long isoforms LAP* and LAP, but not the N-terminally truncated isoform LIP can reprogram lymphoid cells into myeloid cells. Furthermore, we found that conserved regions 2,3 and 4 in the C/EBPβ protein transactivation domain are necessary and sufficient for B-to-myeloid cell conversion. Interestingly, the reprogrammed myeloid cells were found to represent a heterogeneous mixture of different myeloid cell types. Detailed analyses of the reprogrammed CD11b+ cells revealed that discrete conserved regions in C/EBPβ activated distinct pro- and anti-inflammatory genes and triggered divergent differentiation programs. Moreover, not only structural C/EBPβ mutants, but also post-translational modification (PTM) site mutations led to different reprogramming outcomes. These data suggest that C/EBPβ orchestrates myeloid diversification by integrating PTMs with structural plasticity as signal dependent adaptable modular properties to determine cell fate.

Homeostasis of hematopoietic stem cells (HSC) in the mammalian bone marrow stem cell niche is regulated by signals of the local microenvironment. Besides juxtacrine, endocrine and metabolic cues, paracrine and autocrine signals are involved in controlling quiescence, proliferation and differentiation of HSC with strong implications on expansion and differentiation ex vivo as well as in vivo transplantation. Towards this aim, a cell culture analysis on a polymer microcavity carrier platform was combined with a partial least square analysis of a mechanistic model of cell proliferation. We could demonstrate the discrimination of specific autocrine and paracrine signals from soluble factors as stimulating and inhibitory effectors in hematopoietic stem and progenitor cell culture. From that we hypothesize autocrine signals to be predominantly involved in maintaining the quiescent state of HSC in single-cell niches and advocate our analysis platform as an unprecedented option for untangling convoluted signaling mechanisms in complex cell systems being it of juxtacrine, paracrine or autocrine origin.

Myelodysplastic syndromes (MDS) comprise a heterogeneous group of hematologic malignancies characterized by clonal hematopoiesis, one or more cytopenias such as anemia, neutropenia, or thrombocytopenia, abnormal cellular maturation, and a high risk of progression to acute myeloid leukemia. The bone marrow microenvironment (BMME) in general and mesenchymal stromal cells (MSCs) in particular contribute to both the initiation and progression of MDS. However, little is known about the role of MSC-derived extracellular matrix (ECM) in this context. Therefore, we performed a comparative analysis of in vitro deposited MSC-derived ECM of different MDS subtypes and healthy controls. Atomic force microscopy analyses demonstrated that MDS ECM was significantly thicker and more compliant than those from healthy MSCs. Scanning electron microscopy showed a dense meshwork of fibrillar bundles connected by numerous smaller structures that span the distance between fibers in MDS ECM. Glycosaminoglycan (GAG) structures were detectable at high abundance in MDS ECM as white, sponge-like arrays on top of the fibrillar network. Quantification by Blyscan assay confirmed these observations, with higher concentrations of sulfated GAGs in MDS ECM. Fluorescent lectin staining with wheat germ agglutinin and peanut agglutinin demonstrated increased deposition of N-acetyl-glucosamine GAGs (hyaluronan (HA) and heparan sulfate) in low risk (LR) MDS ECM. Differential expression of N-acetyl-galactosamine GAGs (chondroitin sulfate, dermatan sulfate) was observed between LR- and high risk (HR)-MDS. Moreover, increased amounts of HA in the matrix of MSCs from LR-MDS patients were found to correlate with enhanced HA synthase 1 mRNA expression in these cells. Stimulation of mononuclear cells from healthy donors with low molecular weight HA resulted in an increased expression of various pro-inflammatory cytokines suggesting a contribution of the ECM to the inflammatory BMME typical of LR-MDS. CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) displayed an impaired differentiation potential after cultivation on MDS ECM and modified morphology accompanied by decreased integrin expression which mediate cell-matrix interaction. In summary, we provide evidence for structural alterations of the MSC-derived ECM in both LR- and HR-MDS. GAGs may play an important role in this remodeling processes during the malignant transformation which leads to the observed disturbance in the support of normal hematopoiesis.

Establishment and maintenance of the blood system relies on the cellular and spatial organization of bone marrow. In the BM niche, sinusoidal endothelial cells (SECs) are mainly located in the trabecular zone of the metaphysis area of long bones. SECs present a fenestrated structure characterized by high permeability, low shear rates, and oxygen pressure. The hypoxic environment surrounding SECs is needed for the movement and engraftment of hematopoietic cells, but it might also facilitate the homing of malignant cells. SECs’ adaptive response to hypoxia depends on the Hypoxia Inducible Factors (HIFs) promoting angiogenesis, hematopoiesis, and other processes. The upstream regulator of HIFs, the prolyl hydroxylase domain-2 (PHD2) is considered the key cellular oxygen sensor. Our group has shown the crucial regulatory effects that PHD2 has on different physiological and pathological settings. During steady state, PHD2 modulates proliferation and mobilization of hematopoietic progenitor cells (HSCPs), as well as bone metabolism. On the other hand, PHD2 is crucial for neutrophil motility affecting their extravasation during arthritis. We have also demonstrated that loss of PHD2 in different humans and mouse tumor cell lines, as well as in myeloid cells and T-lymphocytes where it impairs tumor development. Others have shown that heterozygous deletion of PHD2 in tumor ECs can reduce distant metastasis. Due to the intricate interplay between the different players of the PHD2/HIFs axis, as well as their effect on other signaling pathways, the positive or negative impact of the hypoxia pathways has been shown to be cell type and context dependent. In the present study, we analyzed the role of hypoxia pathway proteins, mainly PHD2, in ECs in the bone/BM niche, as well as its consequent influence on the environment during physiological and pathological scenarios. We have demonstrated that endothelial PHD2 has a profound intrinsic effect on vessel morphology and functionality, affecting the crucial communication between ECs and the bone/BM niche. Further, using different transgenic mouse lines, we have identified the BM endothelial cells (BM-ECs) PHD2/HIF-2α axis directly increasing leukocytosis via vascular cell adhesion protein 1 (VCAM-1) protein downregulation. Moreover, during steady state conditions we have discovered a novel regulatory effect that PHD2 exerts on VCAM-1 by increasing miR-126-3p transcription, a well-known inhibitor of VCAM-1 expression. Lastly, the PHD2/HIF-2/miR-126-3p/VCAM-1 axis not only influenced the myeloid cell intravasation towards circulation but also increased the extravasation and homing of metastatic breast carcinoma cells into the bone/BM tissue, increasing tumor burden throughout the bone. BM-ECs PHD2 offers a protective role against tumor homing cells in the bone/BM while serving as an important regulator in the communication between endothelium and BM niche. Concluding Remarks:  Loss of PHD2 in ECs generates profound changes in vessel function and in the hematopoietic compartment leading to increase myelopoiesis resulting in leukocytosis. The above-mentioned effect occurs in a HIF-2α-dependent manner.  PHD2/HIF-2α also transcribed in an increase of miR-126-3p expression leading to VCAM-1 downregulation. Process that resulted in increased leukocytes in circulation due to hematopoiesis dysregulation. The novel PHD2/HIF-2/miR-126-3p/VCAM-1 axis enhanced extravasation and homing of metastatic breast carcinoma cells into the bone/BM tissue, increasing tumor burden throughout the bone.:Introduction 8 The Endothelium 9 Endothelial barrier. 9 Leukocyte transendothelial migration. 11 Intracellular mechanism for activation of adhesion molecules. 12 Cellular migration in pathological conditions. 13 Tumor Dissemination: Metastasis. 14 Metastatic cascade. 15 The bone is a preferential site for malignant cells arrival. 16 Bone/BM physiology influences metastasis. 17 The endosteal niche. 18 The perivascular niche. 19 Hypoxia pathway proteins impact on metastasis. 20 Thesis Aims 23 Aim 1: Characterize the role of the hypoxia pathway proteins in bone vasculature and the impact on the niche. 24 Aim 2: Analyze the genetic changes that resulted from PHD2 deletion in BM-ECs and their impact on the cross-talk communication with the different BM-niches. 24 Aim 3: Investigate the impact of PHD2 and downstream regulators (HIF-1/2α) on vessel functionality. 25 Materials and Methods 26 Mice. 27 Histology: tissue processing and immunofluorescence staining 28 Bone tissue processing. 28 Staining of Bone cryosections. 28 Induced skin inflammatory model. 29 Staining of ears treated with PMA. 29 Vascular morphology quantification. 29 Microscopy 31 Antibodies used for immunofluorescence. 31 Bone analysis. 31 Bone µCT measurements and analysis 31 Tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) staining 32 Blood and BM analysis. 32 Sysmex. 32 Flow cytometry. 32 BM cell extraction from bones. 32 BM cells staining. 33 Meso Scale Discovery (MSD) 35 Evans Blue assay. 35 BM soup ELISA. 35 RNAseq of CD31+ EMCN+ BM-ECs 36 BM-EC cell sorting for RNAseq. 36 RNA extraction and qPCRs 36 Tumor model. 36 Tumor breast carcinoma cells. 36 Tumor homing model. 37 Statistical analyses. 37 Results 38 PHD2 Conditional Knockout from Endothelial Cell Compartment. 39 Further P2EC mice characterization. 41 Transgenic deletion of PHD2 showed slight developmental retardation. 41 Spleen size showed not to be affected by deletion endothelial PHD2. 41 P2EC mice displayed increased vessel leakiness. 42 Endothelial PHD2 deletion does not affect lung endothelial cells. 43 BM-ECs PHD2-HIF-2α axis modulates leukocytosis and vessel morphology. 44 HIF-2α modulates P2EC leukocytosis and thrombocytopenia. 44 BM-ECs PHD2 deficient mice hinder vessel morphology in a HIF-2α dependent manner. 44 Endothelial PHD2-deficient mice exhibit perturbed hematopoiesis. 45 P2EC mice early progenitor displayed reduced total cell number, but frequency remained unchanged. 46 P2EC mice favor differentiation of committed progenitors with a myeloid bias. 48 P2EC mice significantly reduced the numbers and frequency of megakaryocyte/erythroid progenitor’s linage. 48 PHD2-HIF-2α deletion restored normal hematopoiesis. 50 P2EC vascular functionality during pathological conditions. 53 Endothelial PHD2 modulates leukocyte migration during localized inflammation. 53 Endothelial PHD2 shapes bone/BM tumor homing. 55 Tumor homing in the bone: generation of an early metastatic model. 56 Early metastasis limitation. 58 Endothelial PHD2 modulates tumor colonization to the bone/BM. 59 Simultaneous deletion of PHD2 and HIF-1 in BM-ECs worsen tumor metastasis to bone. 61 Simultaneous deletion of PHD2 and HIF-2 in BM-ECs showed no differences in tumor homing. 62 Deep sequencing of PHD2 deficient BM-ECs. 63 BM EC from P2EC mice display enriched leukocyte migration gene signatures. 63 P2EC mice presented genetic dysfunction in the integrin-binding system. 64 P2EC steady-state VCAM-1 expression is HIF-2α dependent. 66 BM-ECs VCAM-1 + is regulated by PHD2 through HIF-2α. 66 PHD2-dependent downregulation of VCAM-1 does not affect VE-cadherin expression. 68 BM pro-inflammatory cytokines do not contribute to VCAM-1 lower expression. 69 During steady-state, loss of VCAM-1 increased frequency BM resident mature cells. 69 BM-ECs VCAM-1 deficient mice 71 VCAM1EC mice developed leukocytosis. 71 VCAM1EC does not exhibit significant changes in hematopoiesis. 73 P2EC vessel morphology is independent of downregulation of VCAM-1 74 VCAMEC mice showed increased tumor homing in the diaphysis. 75 PHD2-HIF-2 regulatory effect on VCAM-1 is modulated by mir-126-3p. 76 HIF-2α regulates mir-126 expression in PHD2 deficient BM-ECs. 77 BM-ECs PHD2 influence bone homeostasis. 78 Loss of BM-ECs PHD2 lead to increase Osteoclast numbers and activity. 79 Osteoclast differentiation and activity could be independent of OBs. 79 Loss of PHD2 in BM-ECs leads to osteoclastogenesis. 80 BM resident Tcell CD8+ could be Increasing Osteoclast Activation. 82 Discussion. 83 Mouse Model: Conditional Deletion of Endothelial PHD2. 85 Endothelial PHD2 Modulates Myelopoiesis. 86 BM-EC PHD2 regulates vessel morphology and functionality under steady-state independent of VCAM-1. 88 Endothelial VCAM-1 downregulation does not impaired neutrophil migration during inflammation. 88 BM-ECs PHD2 is a Gatekeeper of Tumor Homing in the Bone. 89 HIF-2α dependent Mir-126 activation leads to VCAM-1 downregulation 91 Endothelial PHD2 controls Osteoclastogenesis independent of BM RANKL. 94 References 96 List of Abbreviations 107 Summary 109 Zusammenfassung 111 Acknowledgements 113 Deklaration 114 Appendix 118 List of Figures. 118 List of tables 119 / Die Organisation und Aufrechterhaltung des Blutsystems hängt von der zellulären und räumlichen Organisation des Knochenmarks ab. In der BM-Nische befinden sich, hauptsächlich in der Trabekelzone des Metaphysenbereichs langer Knochen, die sinusoidale Endothelzellen (SECs). SECs weisen eine gefensterte Struktur auf, die von hoher Durchlässigkeit, geringer Scherrate und Sauerstoffdruck geprägt ist. Das hypoxische Milieu der SECs ist notwendig für Bewegung und Einwanderung der hämatopoetischen Zellen und könnte dies ebenso für bösartige Zellen begünstigen. Die Anpassung der SECs an Hypoxie hängt von den Hypoxia Inducible Factors (HIFs) ab. HIFs fördern die Angiogenese, die Hämatopoese und andere Prozesse. Die prolyl hydorxylase domain-2 (PHD2) ist der vorgeschaltete Regulator der HIFs und gilt als wichtigster zellulärer Sauerstoffsensor. Unsere Gruppe konnte zeigen welche zentralen regulatorischen Effekte die PHD2 auf verschiedene physiologische und pathophysiologische Mechanismen ausübt. Im Gleichgewichtszustand moduliert PHD2 Proliferation und Mobilisation der hämatopoetischen Vorläuferzellen (HSCPs) sowie den Knochenmetabolismus. Auf der einen Seite spielt PHD2 eine entscheidende Rolle bei der Motilität der Neutrophilen und beeinflusst daher die Extravasation bei Arthritis. Wir konnten außerdem zeigen, dass der Verlust von PHD2 in verschiedenen humanen und murinen Tumorzelllinien, sowie in myeloischen Zellen und T-Lymphozyten die Tumorentwicklung beeinträchtigt. In anderen Arbeiten wurde gezeigt, dass eine heterozygote PHD2-Deletion in Tumor-ECs eine Fernmetastasierung reduziert. In Anbetracht der komplizierten Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Komponenten der PHD2/HIF-Signalkaskade sowie deren Effekte auf andere Signalkaskaden, übt sich in Abhängigkeit des Zelltyps und des Kontexts ein positiver oder negativer Einfluss auf die Hypoxie-Signalwege aus. In der vorliegenden Studie haben wir die Rolle von Proteinen des Hypoxiewegs, hauptsächlich PHD2, in den ECs der Knochen-/BM-Nische sowie deren daraus resultierenden Einfluss auf die Umwelt in physiologischen und pathologischen Szenarien analysiert. Wir konnten zeigen, dass das endotheliale PHD2 einen tiefgreifenden intrinsischen Effekt auf die Gefäßmorphologie und Funktionalität besitzt und damit entscheidend die Kommunikation zwischen ECs und der Knochen-/BM-Nische beeinflusst. Weiterhin konnte unter Nutzung verschiedener transgener Muslinien identifiziert werden, dass die Knochenmarksendothelzellen (BM-ECs) PHD2/HIF-2α-Achse direkt die Myelopoese, durch eine Herabsetzung der vascular cell adhesion protein 1 (VCAM-1) -Expression, steigert. Darüber hinaus haben wir einen neuartigen regulatorischen Effekt der PHD2 auf das VCAM-1 entdeckt. Hierbei wird die Expression des VCAM-1 Inhibitors miR-126-3p gesteigert. Des Weiteren beeinflusst die PHD2/HIF-2/miR-126-3p/VCAM-1 Achse nicht nur die Intravasation der Myloidzellen in Richtung des Kreislaufs, sondern auch eine Steigerung der Extravastion und Einwanderung von metastasierenden Brustkarzinomzellen in die Knochen/BM-Gewebe und steigert somit die Tumorlast in den Knochen. In Anbetracht klinischer Versuche der Krebsbehandlung mit PHD2-Inhibitoren, bietet BM-ECs PHD2 einen schützenden Effekt gegen Tumorzelleinwanderung in die Knochen/BM, während es gleichzeitig als ein wichtiger Regulator in der Kommunikation zwischen Endothelium und der BM-Nische dient. Abschließende Bemerkungen: Der Verlust von PHD2 in ECs führt zu tiefgreifenden Veränderungen in der Gefäßfunktion und im hämatopoetischen Kompartiment, was zu einer verstärkten Myelopoese und damit zu Leukozytose führt. Die oben erwähnte Wirkung tritt in einer HIF-2α-abhängigen Weise auf. PHD2/HIF-2α führte auch zu einem Anstieg der miR-126-3p-Expression, was zu einer Herunterregulierung von VCAM-1 führte. Dieser Prozess führte zu einer erhöhten Anzahl von Leukozyten im Blutkreislauf aufgrund einer Dysregulation der Hämatopoese. Die neuartige PHD2/HIF-2/miR-126-3p/VCAM-1-Achse förderte die Extravasation und Ansiedlung von metastatischen Brustkrebszellen im Knochen/BM-Gewebe, wodurch die Tumorlast im gesamten Knochen erhöht wurde.:Introduction 8 The Endothelium 9 Endothelial barrier. 9 Leukocyte transendothelial migration. 11 Intracellular mechanism for activation of adhesion molecules. 12 Cellular migration in pathological conditions. 13 Tumor Dissemination: Metastasis. 14 Metastatic cascade. 15 The bone is a preferential site for malignant cells arrival. 16 Bone/BM physiology influences metastasis. 17 The endosteal niche. 18 The perivascular niche. 19 Hypoxia pathway proteins impact on metastasis. 20 Thesis Aims 23 Aim 1: Characterize the role of the hypoxia pathway proteins in bone vasculature and the impact on the niche. 24 Aim 2: Analyze the genetic changes that resulted from PHD2 deletion in BM-ECs and their impact on the cross-talk communication with the different BM-niches. 24 Aim 3: Investigate the impact of PHD2 and downstream regulators (HIF-1/2α) on vessel functionality. 25 Materials and Methods 26 Mice. 27 Histology: tissue processing and immunofluorescence staining 28 Bone tissue processing. 28 Staining of Bone cryosections. 28 Induced skin inflammatory model. 29 Staining of ears treated with PMA. 29 Vascular morphology quantification. 29 Microscopy 31 Antibodies used for immunofluorescence. 31 Bone analysis. 31 Bone µCT measurements and analysis 31 Tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) staining 32 Blood and BM analysis. 32 Sysmex. 32 Flow cytometry. 32 BM cell extraction from bones. 32 BM cells staining. 33 Meso Scale Discovery (MSD) 35 Evans Blue assay. 35 BM soup ELISA. 35 RNAseq of CD31+ EMCN+ BM-ECs 36 BM-EC cell sorting for RNAseq. 36 RNA extraction and qPCRs 36 Tumor model. 36 Tumor breast carcinoma cells. 36 Tumor homing model. 37 Statistical analyses. 37 Results 38 PHD2 Conditional Knockout from Endothelial Cell Compartment. 39 Further P2EC mice characterization. 41 Transgenic deletion of PHD2 showed slight developmental retardation. 41 Spleen size showed not to be affected by deletion endothelial PHD2. 41 P2EC mice displayed increased vessel leakiness. 42 Endothelial PHD2 deletion does not affect lung endothelial cells. 43 BM-ECs PHD2-HIF-2α axis modulates leukocytosis and vessel morphology. 44 HIF-2α modulates P2EC leukocytosis and thrombocytopenia. 44 BM-ECs PHD2 deficient mice hinder vessel morphology in a HIF-2α dependent manner. 44 Endothelial PHD2-deficient mice exhibit perturbed hematopoiesis. 45 P2EC mice early progenitor displayed reduced total cell number, but frequency remained unchanged. 46 P2EC mice favor differentiation of committed progenitors with a myeloid bias. 48 P2EC mice significantly reduced the numbers and frequency of megakaryocyte/erythroid progenitor’s linage. 48 PHD2-HIF-2α deletion restored normal hematopoiesis. 50 P2EC vascular functionality during pathological conditions. 53 Endothelial PHD2 modulates leukocyte migration during localized inflammation. 53 Endothelial PHD2 shapes bone/BM tumor homing. 55 Tumor homing in the bone: generation of an early metastatic model. 56 Early metastasis limitation. 58 Endothelial PHD2 modulates tumor colonization to the bone/BM. 59 Simultaneous deletion of PHD2 and HIF-1 in BM-ECs worsen tumor metastasis to bone. 61 Simultaneous deletion of PHD2 and HIF-2 in BM-ECs showed no differences in tumor homing. 62 Deep sequencing of PHD2 deficient BM-ECs. 63 BM EC from P2EC mice display enriched leukocyte migration gene signatures. 63 P2EC mice presented genetic dysfunction in the integrin-binding system. 64 P2EC steady-state VCAM-1 expression is HIF-2α dependent. 66 BM-ECs VCAM-1 + is regulated by PHD2 through HIF-2α. 66 PHD2-dependent downregulation of VCAM-1 does not affect VE-cadherin expression. 68 BM pro-inflammatory cytokines do not contribute to VCAM-1 lower expression. 69 During steady-state, loss of VCAM-1 increased frequency BM resident mature cells. 69 BM-ECs VCAM-1 deficient mice 71 VCAM1EC mice developed leukocytosis. 71 VCAM1EC does not exhibit significant changes in hematopoiesis. 73 P2EC vessel morphology is independent of downregulation of VCAM-1 74 VCAMEC mice showed increased tumor homing in the diaphysis. 75 PHD2-HIF-2 regulatory effect on VCAM-1 is modulated by mir-126-3p. 76 HIF-2α regulates mir-126 expression in PHD2 deficient BM-ECs. 77 BM-ECs PHD2 influence bone homeostasis. 78 Loss of BM-ECs PHD2 lead to increase Osteoclast numbers and activity. 79 Osteoclast differentiation and activity could be independent of OBs. 79 Loss of PHD2 in BM-ECs leads to osteoclastogenesis. 80 BM resident Tcell CD8+ could be Increasing Osteoclast Activation. 82 Discussion. 83 Mouse Model: Conditional Deletion of Endothelial PHD2. 85 Endothelial PHD2 Modulates Myelopoiesis. 86 BM-EC PHD2 regulates vessel morphology and functionality under steady-state independent of VCAM-1. 88 Endothelial VCAM-1 downregulation does not impaired neutrophil migration during inflammation. 88 BM-ECs PHD2 is a Gatekeeper of Tumor Homing in the Bone. 89 HIF-2α dependent Mir-126 activation leads to VCAM-1 downregulation 91 Endothelial PHD2 controls Osteoclastogenesis independent of BM RANKL. 94 References 96 List of Abbreviations 107 Summary 109 Zusammenfassung 111 Acknowledgements 113 Deklaration 114 Appendix 118 List of Figures. 118 List of tables 119

Hematopoiesis in the adult organism is maintained by a complex, hierarchically organized cascade of differentiating cells that ultimately originate from adult hematopoietic stem cells (HSCs). HSCs have been extensively studied in perturbative settings (e.g transplantation assays), which are well suited for exploring cell potential but tell very little about cell behaviour in a physiological state. Novel \textit{in situ} techniques have made it possible to observe hematopoiesis in its natural environment, yet many questions about native HSC behaviour remain controversial. It is yet unclear whether and to what extent HSCs contribute to steady-state blood production, and whether they represent a reserve population that can be activated upon emergency. As, to date, common definitions of HSCs comprise cells of heterogeneous function, incoherent results are likely linked by another fundamental question: what is the identity of the HSC population residing on the apex of the hematopoietic hierarchy? To answer these questions is essential to gain a deeper understanding of fatal human diseases like leukemia or aplastic anemia. We describe an integrative approach combining non-invasive experimental methods with mathematical inference to uncover underlying pathways and differentiation patterns of steady state hematopoiesis. By this, we identify a population of Sca-1\textsuperscript{hi} CD201(EPCR)\textsuperscript{hi} HSCs as the hithertho elusive apex population, and show that they contribute marginally, but continuously, to native steady-state hematopoiesis. Further, we clarify the architecture of a shortcut route of thrombopoiesis, which emanates directly from HSCs and links them trough a previously undefined CD48\textsuperscript{-/low} megakaryocyte progenitor population directly to platelets. Finally, we provide an extensive analysis of the dynamic label propagation and proliferation behaviour of hematopoietic stem and progenitor cells in prototypical stress situations mimicking blood loss, infection and inflammation. We find that apex stem cells do not directly contribute to emergency hematopoiesis and are only activated upon severe myeloablation and chronic inflammation. Further, innate immune training did not influence HSC contribution in response to reoccurring stimulation. In sum, we demonstrate that primitive HSCs do neither represent a major contributor to steady-state blood production, nor a reservoir for emergency supply. We thus question current dogma of hematopoiesis, and argue that the primary function of HSCs in the adult organism remains yet to be discovered.:Contents Abstract iv Zusammenfassung vii List of Figures xii List of Tables xiii List of Abbreviations xv 1 Introduction 1 1.1 Hematopoiesis and the hematopoietic system 1 1.1.1 Developmental origins 1 1.1.2 The hematopoietic hierarchy 3 1.2 Hematopoietic stem cells 5 1.2.1 Characteristics of hematopoietic stem cells 7 1.2.2 Identification of hematopoietic stem and progenitor cells 7 1.2.3 HSC heterogeneity 11 1.3 Novel genetic tools to analyse native hematopoiesis 12 1.3.1 Conditional gene targeting 12 1.4 Hematopoietic stem cell behaviour in adult steady-state hematopoiesis 15 1.4.1 Models of native Hematopoiesis 16 1.4.2 Models of HSC quiescence 23 1.4.3 Aged hematopoiesis 25 1.5 Hematopoietic stem cell behaviour in stress response 26 1.5.1 Inflammation and Infection 27 1.5.2 Myeloablation 30 1.5.3 Innate immune training 32 2 Aim of Thesis 35 3 Material and Methods 37 3.1 Materials 37 3.1.1 Antibodies 37 3.1.2 Buffer and Solutions 38 3.1.3 Chemicals and Reagents 39 3.1.4 Cultivation Media 40 3.1.5 Kit Systems 41 3.1.6 Software 41 3.2 Mice 42 3.2.1 Animal housing and husbandry 42 3.2.2 Mouse strains 42 3.3 Genotyping of mice 43 3.4 Treatments of mice 46 3.4.1 Reporter induction 46 3.4.2 Hematopoietic stress induction 46 3.5 Hemograms 48 3.6 Transplantation and in vivo repopulation assays 49 3.6.1 Preconditioning and transplantation of recipients 49 3.6.2 Competitive repopulation assay 50 3.6.3 Limiting dilution assay 50 3.6.4 Transplantation into sublethally irradiated hosts 51 3.7 Cell preparation for transplantation and flow cytometry 51 3.7.1 Bone marrow 51 3.7.2 Splenocytes 51 3.7.3 Peripheral blood 51 3.7.4 Peritoneal cells 52 3.7.5 Cell depletion by magnetic activated cell sorting (MACS) 52 3.8 Flow Cytometry 53 3.8.1 Cell staining 54 3.8.2 Cell counting 55 3.8.3 Cell identification and gating 55 3.8.4 Chimerism analysis 57 3.8.5 Cell sorting 58 3.9 Cytokine detection assay 58 3.10 in vitro single cell expansion assay 59 3.11 Sequencing 61 3.11.1 Single cell RNA sequencing 61 3.11.2 Bulk RNA sequencing 62 3.11.3 Single cell and bulk transcriptome analysis 62 3.12 Mathematical modelling 62 3.13 Data Normalization 63 3.14 Statistical Analysis 64 4 Results 67 4.1 Identification of an apex HSC population 67 4.1.1 Fgd5 Cre-System preferentially labels primitive HSCs 68 4.1.2 ES HSCs reside at the top of the hierarchy 71 4.2 A combination of proliferation and differentiation modelling uncovers lineage trajectories 76 4.2.1 Iterative modelling reveals subtle, but continuous contribution of HSC to Steady state hematopoiesis 77 4.2.2 The myeloid lineage diverges within phenotypic HSCs 80 4.3 Fate mapping uncovers an alternative pathway of thrombopoiesis 82 4.3.1 CD201-/lo Sca-1lo HSCs feed thrombopoiesis via CD48-/lo MkPs 82 4.3.2 CD48-stratified MkP subsets display variable thrombopoietic potential 88 4.3.3 Thrombopoietin signalling enhances platelet production via the direct pathway 92 4.4 Ageing modulates the dynamics of fate mapping 95 4.5 HSCs in times of crisis: Contribution to stress recovery 99 4.5.1 Faithful reporters are necessary to study HSPC behaviour during stress hematopoiesis 100 4.5.2 Severe myeloablation provokes HSC activation 105 4.5.3 Inflammation-induced emergency hematopoiesis only mildly amplifies HSC activity 107 4.5.4 Innate immune training does not alter HSC proliferation and differentiation 113 4.5.5 Compensation of blood cell loss is achieved without HSC contribution 118 4.5.6 Emergency hematopoiesis proceeds without activation of primitive Hematopoietic stem cells (HSCs) 120 5 Discussion 123 5.1 Labels matter: What is a true HSC? 123 5.1.1 Fgd5ZsGreen:CreERT2R26LSL-tdRFP fate mapping preferentially labels primitive HSCs 124 5.1.2 ES HSCs reside at the top of the hierarchy 126 5.1.3 Subtle, but continuous contribution of HSCs to steady state hematopoiesis 127 5.1.4 The myeloid lineage diverges within phenotypic HSCs 130 5.2 Fate mapping uncovers an alternative pathway of thrombopoiesis 132 5.2.1 CD201-/lo Sca-1lo HSCs feed thrombopoiesis via CD48-/lo MkPs 132 5.2.2 Thrombopoietin signalling enhances platelet production via the direct pathway 135 5.3 Fundamental dynamics of label propagation are preserved in aged mice 136 5.4 HSCs in times of crisis: are HSC a reserve population for emergency response? 138 5.4.1 Faithful reporters: Caveats and merits of using in situ models to study HSC activation 139 5.4.2 Severe myeloablation provokes HSC activation 143 5.4.3 Inflammation-induced emergency hematopoiesis only mildly amplifies HSC activity 145 5.4.4 Compensation of blood cell loss is achieved without HSC contribution 149 5.4.5 Innate immune training does not alter HSC proliferation and differentiation 150 6 Conclusion 153 References 155 Acknowledgements 185 Appendices 187 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 189 Anlage 2: Erklärung über die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 190 / Die Blutbildung in erwachsenen Organismen wird durch eine komplexe, hierarchisch organisierte Kaskade von sich fortwährend differenzierenden Zellen aufrechterhalten, und hat ihren Ursprung in adulten h\'amatopoietischen Stammzellen (HSZs). HSZs wurden ausgiebig unter unphysiologischen Extrembedingungen (z.B. Transplantation) untersucht, in welchen sich viel über das maximale potential einer Zelle, aber wenig über ihr Verhalten in ungestörtem Zustand sagen lässt. Obwohl durch moderne \textit-Techniken mittlerweile h\'amatopoietische Differenzierung in ihrer ursprünglichen Umgebung beobachtet werden kann, bleiben etliche Fragen zum nativen Verhalten von HSZs offen. So ist es noch unklar, ob und in welchem Ausmaß HSZs überhaupt zur stationären Blutbildung beitragen, oder ob sie eine Reservepopulation darstellen, die im Notfall aktiviert werden kann. Da bis dato gebr\'auchliche Definitionen von HSZs verschiedene Sub-Populationen mit heterogener Funktionalität umfassen, sind die inkohärenten Ergebnisse wahrscheinlich mit einer anderen grundlegenden Frage verknüpft: Was ist die wahre Identit\'at der HSZ-Population, die an der Spitze der h\'amatopoetischen Hierarchie steht? Die Beantwortung dieser Fragen ist essenziell für ein besseres Verst\'andnis von fatalen humanen Krankheiten, wie beispielsweise Leuk\'amie oder aplastische An\'amie. Wir beschreiben einen integrativen Ansatz, der nicht-invasive experimentelle Methoden mit mathematischer Modellierung vereint, um die zugrundeliegenden Pfade und Differenzierungsmuster der station\'arer H\'amatopoese zu ergründen. Auf diese Weise können wir eine Population von Sca-1\textsuperscript{hi} und CD201(EPCR)\textsuperscript{hi} HSZs als die bisher unbekannte Apex-Population identifizieren, und zeigen, dass diese Zellen geringf\'ugig, aber kontinuierlich, zur nativen H\'amatopoese beitragen. Darüber hinaus klären wir die Architektur eines direkten thrombozytischen Differenzierungspfades, welcher unmittelbar von HSZs abzweigt und diese über eine neu definierte CD48\textsuperscript{-/lo} Megakaryozyten-Vorläuferpopulation direkt mit Thrombozyten ver- bindet. Schließlich liefern wir eine umfassende Analyse des dynamischen Differenzierungs- und Proliferationsverhaltens von hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen in prototypischen Stresssituationen, die Blutverlust, Infektion und Entzündung nachahmen. Wir zeigen, dass primitive Stammzellen nicht direkt zur Notfall-Hämatopoese beitragen und nur bei schwerer Myeloablation und chronischer Entzündung aktiviert werden. Ebenfalls hat das Training des angeborenen Immunsystems keinen Einfluss auf die Aktivität von HSZs bei wiederholter Stimulation. Unsere Ergebnisse belegen, dass primitive HSZs weder einen wesentlichen Beitrag zur stationären Blutbildung leisten, noch ein Reservoir für die Notfallversorgung darstellen. Wir stellen somit das derzeitige Dogma der Hämatopoese in Frage und argumentieren, dass die primäre Funktion der HSZ im erwachsenen Organismus noch zu entdecken ist.:Contents Abstract iv Zusammenfassung vii List of Figures xii List of Tables xiii List of Abbreviations xv 1 Introduction 1 1.1 Hematopoiesis and the hematopoietic system 1 1.1.1 Developmental origins 1 1.1.2 The hematopoietic hierarchy 3 1.2 Hematopoietic stem cells 5 1.2.1 Characteristics of hematopoietic stem cells 7 1.2.2 Identification of hematopoietic stem and progenitor cells 7 1.2.3 HSC heterogeneity 11 1.3 Novel genetic tools to analyse native hematopoiesis 12 1.3.1 Conditional gene targeting 12 1.4 Hematopoietic stem cell behaviour in adult steady-state hematopoiesis 15 1.4.1 Models of native Hematopoiesis 16 1.4.2 Models of HSC quiescence 23 1.4.3 Aged hematopoiesis 25 1.5 Hematopoietic stem cell behaviour in stress response 26 1.5.1 Inflammation and Infection 27 1.5.2 Myeloablation 30 1.5.3 Innate immune training 32 2 Aim of Thesis 35 3 Material and Methods 37 3.1 Materials 37 3.1.1 Antibodies 37 3.1.2 Buffer and Solutions 38 3.1.3 Chemicals and Reagents 39 3.1.4 Cultivation Media 40 3.1.5 Kit Systems 41 3.1.6 Software 41 3.2 Mice 42 3.2.1 Animal housing and husbandry 42 3.2.2 Mouse strains 42 3.3 Genotyping of mice 43 3.4 Treatments of mice 46 3.4.1 Reporter induction 46 3.4.2 Hematopoietic stress induction 46 3.5 Hemograms 48 3.6 Transplantation and in vivo repopulation assays 49 3.6.1 Preconditioning and transplantation of recipients 49 3.6.2 Competitive repopulation assay 50 3.6.3 Limiting dilution assay 50 3.6.4 Transplantation into sublethally irradiated hosts 51 3.7 Cell preparation for transplantation and flow cytometry 51 3.7.1 Bone marrow 51 3.7.2 Splenocytes 51 3.7.3 Peripheral blood 51 3.7.4 Peritoneal cells 52 3.7.5 Cell depletion by magnetic activated cell sorting (MACS) 52 3.8 Flow Cytometry 53 3.8.1 Cell staining 54 3.8.2 Cell counting 55 3.8.3 Cell identification and gating 55 3.8.4 Chimerism analysis 57 3.8.5 Cell sorting 58 3.9 Cytokine detection assay 58 3.10 in vitro single cell expansion assay 59 3.11 Sequencing 61 3.11.1 Single cell RNA sequencing 61 3.11.2 Bulk RNA sequencing 62 3.11.3 Single cell and bulk transcriptome analysis 62 3.12 Mathematical modelling 62 3.13 Data Normalization 63 3.14 Statistical Analysis 64 4 Results 67 4.1 Identification of an apex HSC population 67 4.1.1 Fgd5 Cre-System preferentially labels primitive HSCs 68 4.1.2 ES HSCs reside at the top of the hierarchy 71 4.2 A combination of proliferation and differentiation modelling uncovers lineage trajectories 76 4.2.1 Iterative modelling reveals subtle, but continuous contribution of HSC to Steady state hematopoiesis 77 4.2.2 The myeloid lineage diverges within phenotypic HSCs 80 4.3 Fate mapping uncovers an alternative pathway of thrombopoiesis 82 4.3.1 CD201-/lo Sca-1lo HSCs feed thrombopoiesis via CD48-/lo MkPs 82 4.3.2 CD48-stratified MkP subsets display variable thrombopoietic potential 88 4.3.3 Thrombopoietin signalling enhances platelet production via the direct pathway 92 4.4 Ageing modulates the dynamics of fate mapping 95 4.5 HSCs in times of crisis: Contribution to stress recovery 99 4.5.1 Faithful reporters are necessary to study HSPC behaviour during stress hematopoiesis 100 4.5.2 Severe myeloablation provokes HSC activation 105 4.5.3 Inflammation-induced emergency hematopoiesis only mildly amplifies HSC activity 107 4.5.4 Innate immune training does not alter HSC proliferation and differentiation 113 4.5.5 Compensation of blood cell loss is achieved without HSC contribution 118 4.5.6 Emergency hematopoiesis proceeds without activation of primitive Hematopoietic stem cells (HSCs) 120 5 Discussion 123 5.1 Labels matter: What is a true HSC? 123 5.1.1 Fgd5ZsGreen:CreERT2R26LSL-tdRFP fate mapping preferentially labels primitive HSCs 124 5.1.2 ES HSCs reside at the top of the hierarchy 126 5.1.3 Subtle, but continuous contribution of HSCs to steady state hematopoiesis 127 5.1.4 The myeloid lineage diverges within phenotypic HSCs 130 5.2 Fate mapping uncovers an alternative pathway of thrombopoiesis 132 5.2.1 CD201-/lo Sca-1lo HSCs feed thrombopoiesis via CD48-/lo MkPs 132 5.2.2 Thrombopoietin signalling enhances platelet production via the direct pathway 135 5.3 Fundamental dynamics of label propagation are preserved in aged mice 136 5.4 HSCs in times of crisis: are HSC a reserve population for emergency response? 138 5.4.1 Faithful reporters: Caveats and merits of using in situ models to study HSC activation 139 5.4.2 Severe myeloablation provokes HSC activation 143 5.4.3 Inflammation-induced emergency hematopoiesis only mildly amplifies HSC activity 145 5.4.4 Compensation of blood cell loss is achieved without HSC contribution 149 5.4.5 Innate immune training does not alter HSC proliferation and differentiation 150 6 Conclusion 153 References 155 Acknowledgements 185 Appendices 187 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 189 Anlage 2: Erklärung über die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 190

High transduction rates of viral vectors in gene therapies (GT) and experimental hematopoiesis ensure a high frequency of gene delivery, although multiple integration events can occur in the same cell. Therefore, tracing of integration sites (IS) leads to mis-quantification of the true clonal spectrum and limits safety considerations in GT. Hence, we use correlations between repeated measurements of IS abundances to estimate their mutual similarity and identify clusters of co-occurring IS, for which we assume a clonal origin. We evaluate the performance, robustness and specificity of our methodology using clonal simulations. The reconstruction methods, implemented and provided as an R-package, are further applied to experimental clonal mixes and preclinical models of hematopoietic GT. Our results demonstrate that clonal reconstruction from IS data allows to overcome systematic biases in the clonal quantification as an essential prerequisite for the assessment of safety and long-term efficacy of GT involving integrative vectors.