Dendritic cells (DCs) and monocytes play a central role in pathogen sensing, phagocytosis, and antigen presentation and consist of multiple specialized subtypes. However, their identities and interrelationships are not fully understood. Using unbiased single-cell RNA sequencing (RNA-seq) of ~2400 cells, we identified six human DCs and four monocyte subtypes in human blood. Our study reveals a new DC subset that shares properties with plasmacytoid DCs (pDCs) but potently activates T cells, thus redefining pDCs; a new subdivision within the CD1C+ subset of DCs; the relationship between blastic plasmacytoid DC neoplasia cells and healthy DCs; and circulating progenitor of conventional DCs (cDCs). Our revised taxonomy will enable more accurate functional and developmental analyses as well as immune monitoring in health and disease.

During early human pregnancy the uterine mucosa transforms into the decidua, into which the fetal placenta implants and where placental trophoblast cells intermingle and communicate with maternal cells. Trophoblast–decidual interactions underlie common diseases of pregnancy, including pre-eclampsia and stillbirth. Here we profile the transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester placentas with matched maternal blood and decidual cells. The cellular composition of human decidua reveals subsets of perivascular and stromal cells that are located in distinct decidual layers. There are three major subsets of decidual natural killer cells that have distinctive immunomodulatory and chemokine profiles. We develop a repository of ligand–receptor complexes and a statistical tool to predict the cell-type specificity of cell–cell communication via these molecular interactions. Our data identify many regulatory interactions that prevent harmful innate or adaptive immune responses in this environment. Our single-cell atlas of the maternal–fetal interface reveals the cellular organization of the decidua and placenta, and the interactions that are critical for placentation and reproductive success. Transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester deciduas and placentas reveal subsets of perivascular, stromal and natural killer cells in the decidua, with distinct immunomodulatory profiles that regulate the environment necessary for successful placentation.

Pediatric and adult kidney tumors differ Understanding tumor origins and the similarities and differences between organ-specific cancers is important for determining treatment options. Young et al. generated more than 72,000 single-cell transcriptomes from healthy and cancerous human kidneys. From these data, they determined that Wilms tumor, a pediatric kidney cancer, originates from aberrant fetal cells, whereas adult kidney cancers are likely derived from a specific subtype of proximal convoluted tubular cell. Science , this issue p. 594

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.

Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. Here, to comprehensively map cell lineages, we use single-cell RNA sequencing and antigen receptor analysis of almost half a million cells from up to 5 anatomical regions in the developing and up to 11 distinct anatomical regions in the healthy paediatric and adult human gut. This reveals the existence of transcriptionally distinct BEST4 epithelial cells throughout the human intestinal tract. Furthermore, we implicate IgG sensing as a function of intestinal tuft cells. We describe neural cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type-specific expression of genes associated with Hirschsprung’s disease. Finally, using a systems approach, we identify key cell players that drive the formation of secondary lymphoid tissue in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. This catalogue of intestinal cells will provide new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

Immune landscape of the human kidney Single-cell RNA sequencing has begun to shed light on the full cellular diversity of specific organs. However, these studies rarely examine organ-specific immune cells. Stewart et al. sequenced healthy adult and fetal kidney samples at a single-cell level to define the heterogeneity in epithelial, myeloid, and lymphoid cells. From this dataset, they identified zonation of cells, with relevance to disease and the varied perturbations that occur in different tumor settings. This profiling of the human kidney generates a comprehensive census of existing cell populations that will help inform the diagnosis and treatment of kidney-related diseases. Science , this issue p. 1461

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

Single-cell genomics studies have decoded the immune cell composition of several human prenatal organs but were limited in describing the developing immune system as a distributed network across tissues. We profiled nine prenatal tissues combining single-cell RNA sequencing, antigen-receptor sequencing, and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. This revealed the late acquisition of immune-effector functions by myeloid and lymphoid cell subsets and the maturation of monocytes and T cells before peripheral tissue seeding. Moreover, we uncovered system-wide blood and immune cell development beyond primary hematopoietic organs, characterized human prenatal B1 cells, and shed light on the origin of unconventional T cells. Our atlas provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine, and disease understanding.