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 cellular transcriptome may provide clues into the differentiation state and origin of human cancer, as tumor cells may retain patterns of gene expression similar to the cell they derive from. Here, we studied the differentiation state and cellular origin of human kidney tumors, by assessing mRNA signals in 1,300 childhood and adult renal tumors, spanning seven different tumor types. Using single cell mRNA reference maps of normal tissues generated by the Human Cell Atlas project, we measured the abundance of reference “cellular signals” in each tumor. Quantifying global differentiation states, we found that, irrespective of tumor type, childhood tumors exhibited fetal cellular signals, thus replacing the long-held presumption of “fetalness” with a precise, quantitative readout of immaturity. By contrast, in adult cancers our assessment refuted the suggestion of dedifferentiation towards a fetal state in the overwhelming majority of cases, with the exception of lethal variants of clear cell renal cell carcinoma. Examining the specific cellular phenotype of each tumor type revealed an intimate connection between the different mesenchymal populations of the developing kidney and childhood renal tumors, whereas adult tumors mostly represented specific mature tubular cell types. RNA signals of each tumor type were remarkably uniform and specific, indicating a possible therapeutic and diagnostic utility. We demonstrated this utility with a case study of a cryptic renal tumor. Whilst not classifiable by clinical pathological work-up, mRNA signals revealed the diagnosis. Our findings provide a cellular definition of human renal tumors through an approach that is broadly applicable to human cancer.

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.