Abstract Analysis of human blood immune cells provides insights into the coordinated response to viral infections such as severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, which causes coronavirus disease 2019 (COVID-19). We performed single-cell transcriptome, surface proteome and T and B lymphocyte antigen receptor analyses of over 780,000 peripheral blood mononuclear cells from a cross-sectional cohort of 130 patients with varying severities of COVID-19. We identified expansion of nonclassical monocytes expressing complement transcripts ( CD16 + C1QA/B/C + ) that sequester platelets and were predicted to replenish the alveolar macrophage pool in COVID-19. Early, uncommitted CD34 + hematopoietic stem/progenitor cells were primed toward megakaryopoiesis, accompanied by expanded megakaryocyte-committed progenitors and increased platelet activation. Clonally expanded CD8 + T cells and an increased ratio of CD8 + effector T cells to effector memory T cells characterized severe disease, while circulating follicular helper T cells accompanied mild disease. We observed a relative loss of IgA2 in symptomatic disease despite an overall expansion of plasmablasts and plasma cells. Our study highlights the coordinated immune response that contributes to COVID-19 pathogenesis and reveals discrete cellular components that can be targeted for therapy.

Thymus development, cell by cell The human thymus is the organ responsible for the maturation of many types of T cells, which are immune cells that protect us from infection. However, it is not well known how these cells develop with a full immune complement that contains the necessary variation to protect us from a variety of pathogens. By performing single-cell RNA sequencing on more than 250,000 cells, Park et al. examined the changes that occur in the thymus over the course of a human life. They found that development occurs in a coordinated manner among immune cells and with their developmental microenvironment. These data allowed for the creation of models of how T cells with different specific immune functions develop in humans. Science , this issue p. eaay3224

Definitive haematopoiesis in the fetal liver supports self-renewal and differentiation of haematopoietic stem cells and multipotent progenitors (HSC/MPPs) but remains poorly defined in humans. Here, using single-cell transcriptome profiling of approximately 140,000 liver and 74,000 skin, kidney and yolk sac cells, we identify the repertoire of human blood and immune cells during development. We infer differentiation trajectories from HSC/MPPs and evaluate the influence of the tissue microenvironment on blood and immune cell development. We reveal physiological erythropoiesis in fetal skin and the presence of mast cells, natural killer and innate lymphoid cell precursors in the yolk sac. We demonstrate a shift in the haemopoietic composition of fetal liver during gestation away from being predominantly erythroid, accompanied by a parallel change in differentiation potential of HSC/MPPs, 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 reference for harnessing the therapeutic potential of HSC/MPPs. Single-cell transcriptomic profiling of fetal liver, skin, kidney and yolk sac reveals the differentiation trajectories of human haematopoietic stem cells and multipotent progenitors, which are validated to produce an integrated map of fetal liver haematopoiesis.

Cellular beauty is skin deep Human skin works as barrier, preventing the entry of pathogens, among other functions. Reynolds et al. used single-cell sequencing to generate an atlas of the human skin from both developing and adult sources, identifying differences and similarities across heterogeneous populations of skin cells. In this atlas, gene expression in the two disease states studied—atopic dermatitis and psoriasis—varied from that in a healthy adult, suggesting that a fetal skin signature is expressed in adult inflamed skin. Furthermore, differences in immune cell composition between healthy fetal and adult skin and that of individuals suffering from disease were observed. Science , this issue p. eaba6500

The oral mucosa remains an understudied barrier tissue. This is a site of rich exposure to antigens and commensals, and a tissue susceptible to one of the most prevalent human inflammatory diseases, periodontitis. To aid in understanding tissue-specific pathophysiology, we compile a single-cell transcriptome atlas of human oral mucosa in healthy individuals and patients with periodontitis. We uncover the complex cellular landscape of oral mucosal tissues and identify epithelial and stromal cell populations with inflammatory signatures that promote antimicrobial defenses and neutrophil recruitment. Our findings link exaggerated stromal cell responsiveness with enhanced neutrophil and leukocyte infiltration in periodontitis. Our work provides a resource characterizing the role of tissue stroma in regulating mucosal tissue homeostasis and disease pathogenesis.

Abstract The human skin confers biophysical and immunological protection through a complex cellular network that is established early in development. We profiled ~500,000 single cells using RNA-sequencing from healthy adult and developing skin, and skin from patients with atopic dermatitis and psoriasis. Our findings reveal a predominance of innate lymphoid cells and macrophages in developing skin in contrast to T cells and migratory dendritic cells in adult skin. We demonstrate dual keratinocyte differentiation trajectories and activated cellular circuits comprising vascular endothelial cells mediating immune cell trafficking, disease-specific clonally expanded IL13/IL22 and IL17A/F -expressing lymphocytes, epidermal IL23 -expressing dendritic cells and inflammatory keratinocytes in disease. Our findings provide key insights into the dynamic cellular landscape of human skin in health and disease. One Sentence Summary Single cell atlas of human skin reveals cell circuits which are quantitatively and qualitatively reconfigured in inflammatory skin disease.

Abstract Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

Abstract Infant B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) has not followed the increasing trend towards cure seen in other childhood B-ALLs. The prognosis for infants with KMT2A gene fusions is especially poor, and the origins of this aggressive leukemia remain unknown. Here, we investigated the developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL within hematopoietic hierarchies of human fetal bone marrow, using bulk mRNA meta-analysis of childhood leukemia and examination of single lymphoblast transcriptomes. KMT2A -rearranged infant B-ALL was uniquely dominated by an early lymphocyte precursor (ELP) state. Direct comparison of infant lymphoblasts with ELP cells distilled the core oncogenic transcriptome of cancer cells which harboured potentially targetable hybrid myeloid-lymphoid features. Overall our quantitative molecular analyses demonstrate a distinct developmental state of KMT2A -rearranged infant B-ALL.

Summary The consistent production of in vitro chondrocytes that faithfully recapitulate in vivo development would be of great benefit for musculoskeletal disease modelling and regenerative medicine. Current efforts are often limited by off-target differentiation, resulting in a heterogeneous product. Furthermore, the lack of comparison to human embryonic tissue, precludes detailed evaluation of in vitro cells. Here, we perform single-cell RNA sequencing of embryonic long bones dissected from first trimester hind limbs from a range of gestational ages. We combine this with publicly available data to form a detailed atlas of endochondral ossification, which we then use to evaluate a series of published in vitro chondrogenesis protocols, finding substantial variability in cell states produced by each. We apply single-nuclear RNA sequencing to one protocol to enable direct comparison between in vitro and in vivo, and perform trajectory alignment between the two to reveal differentiation dynamics at the single-cell level, shedding new light on off-target differentiation in vitro . Using this information, we inhibit the activity of FOXO1, a transcription factor predicted to be active in embryonic bone development and in chondrogenic cells in vitro , and increase chondrocyte transcripts in vitro. This study therefore presents a new framework for evaluating tissue engineering protocols, using single-cell data from human development to drive improvement and bring the prospect of true engineered cartilage closer to reality.

Abstract The oral mucosa remains an understudied barrier tissue rich in exposure to antigens, commensals and pathogens. Moreover, it is the tissue where one of the most prevalent human microbe-triggered inflammatory diseases, periodontitis, occurs. To understand this complex environment at the cellular level, we assemble herein a human single-cell transcriptome atlas of oral mucosal tissues in health and periodontitis. Our work reveals transcriptional diversity of stromal and immune cell populations, predicts intercellular communication and uncovers an altered immune responsiveness of stromal cells participating in tissue homeostasis and disease at the gingival mucosa. In health, we define unique populations of CXCL1,2,8- expressing epithelial cells and fibroblasts mediating immune homeostasis primarily through the recruitment of neutrophils. In disease, we further observe stromal, particularly fibroblast hyper-responsiveness linked to recruitment of leukocytes and neutrophil populations. Ultimately, a stromal-neutrophil axis emerges as a key regulator of mucosal immunity. Pursuant to these findings, most Mendelian forms of periodontitis were shown to be linked to genetic mutations in neutrophil and select fibroblast-expressed genes. Moreover, we document previously unappreciated expression of known pattern- and damage-recognition receptors on stromal cell populations in the setting of periodontitis, suggesting avenues for triggering stromal responses. This comprehensive atlas offers an important reference for in-depth understanding of oral mucosal homeostasis and inflammation and reveals unique stromal–immune interactions implicated in tissue immunity.