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.

Abstract Common genetic variants modulate the cellular response to viruses and are implicated in a range of immune pathologies, including infectious and autoimmune diseases. The transcriptional antiviral response is known to vary between infected cells from a single individual, yet how genetic variants across individuals modulate the antiviral response (and its cell-to-cell variability) is not well understood. Here, we triggered the antiviral response in human fibroblasts from 68 healthy donors, and profiled tens of thousands of cells using single-cell RNA-seq. We developed GASPACHO (GAuSsian Processes for Association mapping leveraging Cell HeterOgeneity), the first statistical approach designed to identify dynamic eQTLs across a transcriptional trajectory of cell populations, without aggregating single-cell data into pseudo-bulk. This allows us to uncover the underlying architecture and variability of antiviral response across responding cells, and to identify more than two thousands eQTLs modulating the dynamic changes during this response. Many of these eQTLs colocalise with risk loci identified in GWAS of infectious and autoimmune diseases. As a case study, we focus on a COVID-19 susceptibility locus, colocalised with the antiviral OAS1 splicing QTL. We validated it in blood cells from a patient cohort and in the infected nasal cells of a patient with the risk allele, demonstrating the utility of GASPACHO to fine-map and functionally characterise a genetic locus. In summary, our novel analytical approach provides a new framework for delineation of the genetic variants that shape a wide spectrum of transcriptional responses at single-cell resolution.

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. To comprehensively map cell lineages in the healthy developing, pediatric and adult human gut from ten distinct anatomical regions, as well as draining lymph nodes, we used singlecell RNA-seq and VDJ analysis of roughly one third of a million cells. This reveals the presence of BEST4+ absorptive cells throughout the human intestinal tract, demonstrating the existence of this cell type beyond the colon for the first time. Furthermore, we implicate IgG sensing as a novel function of intestinal tuft cells, and link these cells to the pathogenesis of inflammatory bowel disease. We define novel glial and neuronal cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type specific expression of Hirschsprung’s disease-associated genes. Finally, using a systems approach, we identify key cell players across multiple cell lineages driving secondary lymphoid tissue formation 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. These data provide an unprecedented catalogue of intestinal cells, and new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

Abstract Multimodal data is rapidly growing in many fields of science and engineering, including single-cell biology. We introduce MultiMAP, an approach for dimensionality reduction and integration of multiple datasets. MultiMAP recovers a single manifold on which all of the data resides and then projects the data into a single low-dimensional space so as to preserve the structure of the manifold. It is based on a framework of Riemannian geometry and algebraic topology, and generalizes the popular UMAP algorithm 1 to the multimodal setting. MultiMAP can be used for visualization of multimodal data, and as an integration approach that enables joint analyses. MultiMAP has several advantages over existing integration strategies for single-cell data, including that MultiMAP can integrate any number of datasets, leverages features that are not present in all datasets (i.e. datasets can be of different dimensionalities), is not restricted to a linear mapping, can control the influence of each dataset on the embedding, and is extremely scalable to large datasets. We apply MultiMAP to the integration of a variety of single-cell transcriptomics, chromatin accessibility, methylation, and spatial data, and show that it outperforms current approaches in preservation of high-dimensional structure, alignment of datasets, visual separation of clusters, transfer learning, and runtime. On a newly generated single-cell Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (scATAC-seq) and single-cell RNA-seq (scRNA-seq) dataset of the human thymus, we use MultiMAP to integrate cells along a temporal trajectory. This enables the quantitative comparison of transcription factor expression and binding site accessibility over the course of T cell differentiation, revealing patterns of transcription factor kinetics.

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 Recent advances in single cell genomics technologies have facilitated studies on the developing immune system at unprecedented scale and resolution. However, these studies have focused on one or a few organs and were thus limited in understanding the developing immune system as a distributed network across tissues. Here, we profiled prenatal haematopoietic organs, lymphoid organs and non-lymphoid tissues using a combination of single-cell RNA sequencing, paired antigen-receptor sequencing and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. Our analysis revealed the acquisition of immune effector transcriptome profiles in macrophages, mast cells and NK cells from the second trimester, and the transcriptomic changes accompanying the late-stage maturation of developing monocytes and T cells that extended from their organ of origin to peripheral tissues. We uncovered system-wide blood and immune cell development beyond the conventional primary haematopoietic organs. We further identified, extensively characterised and functionally validated the human prenatal B1 cells. Finally, we provide evidence for thymocyte-thymocyte selection origin for αβTCR- expressing unconventional T cells based on TCR gene usage and an in vitro artificial thymic organoid culture model. Our comprehensive atlas of the developing human immune system provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine and disease understanding. One-Sentence Summary By performing a comprehensive single-cell RNA sequencing atlas of human developing immune system together with antigen-receptor sequencing and spatial transcriptomics, we explored the cross-gestation and cross-organ variability in immune cells, discovered system-wide blood and immune cell development, identified, characterised and functionally validated the properties of human prenatal B1 cells and the origin of unconventional T cells.

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.

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 Obesity is common and associated with more severe COVID-19, proposed to be in part related to an adipokine-driven pro-inflammatory state. Here we analysed single cell transcriptomes from bronchiolar lavage in three adult cohorts, comparing obese (Ob, body mass index (BMI) >30m 2 ) and non-obese (N-Ob, BMI <30m 2 ). Surprisingly, we found that Ob subjects had attenuated lung immune/inflammatory responses in SARS-CoV-2 infection, with decreased expression of interferon (IFN)α, IFNγ and tumour necrosis factor (TNF) alpha response gene signatures in almost all lung epithelial and immune cell subsets, and lower expression of IFNG and TNF in specific lung immune cells. Analysis of peripheral blood immune cells in an independent adult cohort showed a similar, but less marked, reduction in type I IFN and IFNγ response genes, as well as decreased serum IFNα, in Ob patients with SARS-CoV-2. Nasal immune cells from Ob children with COVID-19 also showed reduced enrichment of IFNα and IFNγ response genes. Altogether, these findings show blunted tissue immune responses in Ob COVID-19 patients, with clinical implications.

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.