The human immune system is composed of a distributed network of cells circulating throughout the body, which must dynamically form physical associations and communicate using interactions between their cell-surface proteomes1. Despite their therapeutic potential2, our map of these surface interactions remains incomplete3,4. Here, using a high-throughput surface receptor screening method, we systematically mapped the direct protein interactions across a recombinant library that encompasses most of the surface proteins that are detectable on human leukocytes. We independently validated and determined the biophysical parameters of each novel interaction, resulting in a high-confidence and quantitative view of the receptor wiring that connects human immune cells. By integrating our interactome with expression data, we identified trends in the dynamics of immune interactions and constructed a reductionist mathematical model that predicts cellular connectivity from basic principles. We also developed an interactive multi-tissue single-cell atlas that infers immune interactions throughout the body, revealing potential functional contexts for new interactions and hubs in multicellular networks. Finally, we combined targeted protein stimulation of human leukocytes with multiplex high-content microscopy to link our receptor interactions to functional roles, in terms of both modulating immune responses and maintaining normal patterns of intercellular associations. Together, our work provides a systematic perspective on the intercellular wiring of the human immune system that extends from systems-level principles of immune cell connectivity down to mechanistic characterization of individual receptors, which could offer opportunities for therapeutic intervention.

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 Spatial transcriptomics is now a mature technology, allowing to assay gene expression changes in the histological context of complex tissues. A canonical analysis workflow starts with the identification of tissue zones that share similar expression profiles, followed by the detection of highly variable or spatially variable genes. Rapid increases in the scale and complexity of spatial transcriptomic datasets demand that these analysis steps are conducted in a consistent and integrated manner, a requirement that is not met by current methods. To address this, we here present SpatialDE2, which unifies the mapping of tissue zones and spatial variable gene detection as integrated software framework, while at the same time advancing current algorithms for both of these steps. Formulated in a Bayesian framework, the model accounts for the Poisson count noise, while simultaneously offering superior computational speed compared to previous methods. We validate SpatialDE2 using simulated data and illustrate its utility in the context of two real-world applications to the spatial transcriptomics profiles of the mouse brain and human endometrium.

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 Assessment of single-cell gene expression (scRNA-seq) and adaptive immune receptor sequencing (scVDJ-seq) has been invaluable in studying lymphocyte biology. Here, we introduce Dandelion , a computational pipeline for scVDJ-seq analysis. It enables the application of standard V(D)J analysis workflows to single-cell datasets, delivering improved V(D)J contig annotation and the identification of non-productive and partially spliced contigs. We devised a novel strategy to create an adaptive immune receptor feature space that can be used for both differential V(D)J usage analysis and pseudotime trajectory inference. The application of Dandelion improved the alignment of human thymic development trajectories of double positive T cells to mature single-positive CD4/CD8 T cells, with important new predictions of factors regulating lineage commitment. Dandelion analysis of other cell compartments provided novel insights into the origins of human B1 cells and ILC/NK cell development, illustrating the power of our approach. Dandelion is an open access resource ( https://www.github.com/zktuong/dandelion ) that will enable future discoveries.

Abstract The yolk sac (YS) represents an evolutionarily-conserved extraembryonic structure that ensures timely delivery of nutritional support and oxygen to the developing embryo. However, the YS remains ill-defined in humans. We therefore assemble a complete single cell 3D map of human YS from 3-8 post conception weeks by integrating multiomic protein and gene expression data. We reveal the YS as a site of primitive and definitive haematopoiesis including a YS-specific accelerated route to macrophage production, a source of nutritional/metabolic support and a regulator of oxygen-carrying capacity. We reconstruct the emergence of primitive haematopoietic stem and progenitor cells from YS hemogenic endothelium and their decline upon stromal support modulation as intraembryonic organs specialise to assume these functions. The YS therefore functions as ‘three organs in one’ revealing a multifaceted relay of vital organismal functions as pregnancy proceeds. One Sentence Summary Human yolk sac is a key staging post in a relay of vital organismal functions during human pregnancy.

Summary Myeloid cells have a central role in homeostasis and tissue defence. Characterising the current in vitro protocols of myelopoiesis is imperative for their use in research and immunotherapy as well as for understanding the early stages of myeloid differentiation in humans. Here, we profiled the transcriptome of more than 400k cells and generated a robust molecular map of the differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSC) into macrophages. By integrating our in vitro datasets with in vivo single-cell developmental atlases, we found that in vitro macrophage differentiation recapitulates features of in vivo yolk sac hematopoiesis, which happens prior to the appearance of definitive hematopoietic stem cells (HSC). During in vitro myelopoiesis, a wide range of myeloid cells are generated, including erythrocytes, mast cells and monocytes, suggesting that, during early human development, the HSC-independent immune wave gives rise to multiple myeloid cell lineages. We leveraged this model to characterize the transition of hemogenic endothelium into myeloid cells, uncovering poorly described myeloid progenitors and regulatory programs. Taking advantage of the variety of myeloid cells produced, we developed a new protocol to produce type 2 conventional dendritic cells (cDC2) in vitro . We found that the underlying regulatory networks coding for myeloid identity are conserved in vivo and in vitro . Using genetic engineering techniques, we validated the effects of key transcription factors important for cDC2 and macrophage identity and ontogeny. This roadmap of early myeloid differentiation will serve as an important resource for investigating the initial stages of hematopoiesis, which are largely unexplored in humans, and will open up new therapeutic opportunities.

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.

Definitive haematopoiesis in the fetal liver supports self-renewal and differentiation of haematopoietic stem cells/multipotent progenitors (HSC/MPPs), yet remains poorly defined in humans. Using single cell transcriptome profiling of ~133,000 fetal liver and ~65,000 fetal skin and kidney cells, we identify the repertoire of blood and immune cells in first and early second trimesters of development. From this data, we infer differentiation trajectories from HSC/MPPs, and evaluate the impact of tissue microenvironment on blood and immune cell development. We predict coupling of mast cell differentiation with erythro-megakaryopoiesis and identify physiological erythropoiesis in fetal skin. We demonstrate a shift in fetal liver haematopoietic composition during gestation away from being erythroid-predominant, accompanied by a parallel change in HSC/MPP differentiation potential, which we functionally validate. Our integrated map of fetal liver haematopoiesis provides a blueprint for the study of paediatric blood and immune disorders, and a valuable reference for understanding and harnessing the therapeutic potential of HSC/MPPs.

Abstract Placental infections are a major worldwide burden, particularly in developing countries. The placenta is a transient tissue located at the interface between the mother and the fetus. Some pathogens can access the placental barrier resulting in pathological transmission from mother to fetus, which may have a profound impact on the health of the developing fetus. Limited tissue accessibility, critical differences between humans and mice, and, until recently, lack of proper in vitro models, have hampered our understanding of the early placental response to pathogens. Here we use single-cell transcriptomics to describe the placental primary defence mechanisms against three pathogens that are known to cause fetal and maternal complications during pregnancy - Plasmodium falciparum, Listeria monocytogenes and Toxoplasma gondii . We optimise ex vivo placental explants of the first-trimester human placenta and show that trophoblasts (the epithelial-like cells of the placenta), and Hofbauer cells (placental macrophages) orchestrate a coordinated inflammatory response after 24 hours of infection. We show that hormone biosynthesis and transport are downregulated in the trophoblasts, suggesting that protective responses are promoted at the expense of decreasing other critical functions of the placenta, such as the endocrine production and the nourishment of the fetus. In addition, we pinpoint pathogen-specific effects in some placental lineages, including a strong mitochondrial alteration in the Hofbauer cells in response to T. gondii . Finally, we identify adaptive strategies and validate nutrient acquisition employed by the P. falciparum during placental malaria infection. This study provides the first detailed cellular map of the first-trimester placenta upon infection and describes the early events that may lead to fetal and placental disorders if left unchecked.