Abstract The endometrium, the mucosal lining of the uterus, undergoes dynamic changes throughout the menstrual cycle in response to ovarian hormones. We have generated single-cell and spatial reference maps of the human uterus and 3D endometrial organoid cultures. We dissect the signalling pathways that determine cell fate of the epithelial lineages in the lumenal and glandular microenvironments. Our benchmark of the endometrial organoids highlights common pathways regulating the differentiation of secretory and ciliated lineage in vivo and in vitro . We show in vitro that downregulation of WNT or NOTCH pathways increases the differentiation efficiency along the secretory and ciliated lineages, respectively. These mechanistic insights provide a platform for future development of treatments for a range of common endometrial disorders including endometriosis and carcinoma.

Abstract The relationship between the human placenta, the extraembryonic organ built by the fetus, and the decidua, the mucosal layer of the uterus, is essential to nurture and protect the fetus during pregnancy. Extravillous trophoblast cells (EVTs) anchor the placenta and infiltrate the decidua, transforming the maternal arteries into high conductance vessels. Defects in trophoblast invasion and arterial transformation established during early pregnancy underlie common pregnancy disorders such as pre-eclampsia. Despite its importance, how EVT invasion is regulated in humans is still unclear due the inaccessibility of the entire pregnant uterus and, until recently, a lack of reliable in vitro models. Here, we have generated a spatially-resolved multiomics single-cell atlas of the entire maternal-fetal interface including the myometrium, allowing us to resolve the full trajectory of trophoblast differentiation. We have used this cellular map to elucidate the main regulatory programmes mediating EVT invasion and show that they are preserved in trophoblast organoids. We define the transcriptomes of the final cell states of trophoblast invasion: placental bed giant cells (fused multinucleated EVTs) and endovascular EVTs (which form plugs inside the maternal arteries). We reconstruct the cell-cell communication events contributing to trophoblast invasion and GC formation, and define the dual role of interstitial EVTs and endovascular EVTs in mediating arterial transformation during early pregnancy. Together, our data provides a comprehensive analysis of postimplantation trophoblast differentiation in humans that can be used as a blueprint to design accurate multilineage placental in vitro models.

Abstract The spatial organization of cell types in tissues fundamentally shapes cellular interactions and function, but the high-throughput spatial mapping of complex tissues remains a challenge. We present сell2location, a principled and versatile Bayesian model that integrates single-cell and spatial transcriptomics to map cell types in situ in a comprehensive manner. We show that сell2location outperforms existing tools in accuracy and comprehensiveness and we demonstrate its utility by mapping two complex tissues. In the mouse brain, we use a new paired single nucleus and spatial RNA-sequencing dataset to map dozens of cell types and identify tissue regions in an automated manner. We discover novel regional astrocyte subtypes including fine subpopulations in the thalamus and hypothalamus. In the human lymph node, we resolve spatially interlaced immune cell states and identify co-located groups of cells underlying tissue organisation. We spatially map a rare pre-germinal centre B-cell population and predict putative cellular interactions relevant to the interferon response. Collectively our results demonstrate how сell2location can serve as a versatile first-line analysis tool to map tissue architectures in a high-throughput manner.

Summary Fetal growth and development during human pregnancy depends on delivery of adequate maternal oxygen and nutrients to the fetus via the placenta. In humans, the balanced invasion of fetal placental trophoblast cells into the maternal uterine lining, where they interact with uterine natural killer cells (uNK), is thought to be critical for a successful pregnancy but exactly how this influences reproductive outcomes remains undefined. Here, we used our trophoblast organoid model and primary tissue samples to determine how uNK affect placentation. By locating potential interaction axes between primary trophoblast cells and uNK using single cell transcriptomics, and in vitro modelling of these interactions in trophoblast organoids, we identify a uNK-derived cytokine signal that promotes trophoblast differentiation by enhancing epithelial-mesenchymal transition and increasing trophoblast cells at the late stage of the invasive pathway. Moreover, it affects transcriptional programs involved in increasing blood flow, placental access to nutrients, and dampening inflammatory and adaptive immune responses, as well as gene signatures associated with disorders of pregnancy such as pre-eclampsia. Our findings shed new light on how optimal immunological interactions between maternal uNK cells and fetal trophoblast enhance reproductive success.

Abstract Human females undergo X-inactivation (Xi), whereby one copy of X is randomly inactivated early in development, then propagated through cell division. Because Xi state is inherited, its measurement in populations of cells encodes information about the phylogeny that created them and their relationships to other cells. We present a method, inactiveXX, to determine the Xi state of single cell transcriptomes, and demonstrate its accuracy using cancer and gold standard reference data. We apply inactiveXX to single cell transcriptomes from 190 human females, revealing that Xi in humans likely occurs around the 16 cell blastocyst stage and affects both embryonic and extra-embryonic tissues. We further find significant cell type specific variability in Xi skew, only detectable with cell type specific resolution, with certain cell types exhibiting strong population bottlenecks across tissues and disease state.

ABSTRACT Common variable immunodeficiency (CVID), the most prevalent symptomatic primary immunodeficiency, is characterized by impaired terminal B-cell differentiation and defective antibody responses. Incomplete genetic penetrance and a wide range of phenotypic expressivity in CVID suggest the participation of additional pathogenic mechanisms. Monozygotic (MZ) twins discordant for CVID are uniquely valuable for studying the contribution of epigenetics to the disease. We used single-cell epigenomics and transcriptomics to create a cell census of naïve-to-memory B cell differentiation in a pair of CVID-discordant MZ twins. Our analysis identifies DNA methylation, chromatin accessibility and transcriptional defects in memory B cells that mirror defective cell-cell communication defects following activation. These findings were validated in a cohort of CVID patients and healthy donors. Our findings provide a comprehensive multi-omics map of alterations in naïve-to-memory B-cell transition in CVID and reveal links between the epigenome and immune cell cross-talk. Our resource, publicly available at the Human Cell Atlas, paves the way for future diagnosis and treatments of CVID patients.