A major cause of the cerebral cortex expansion that occurred during evolution is the increase in subventricular zone (SVZ) progenitors. We found that progenitors in the outer SVZ (OSVZ) of developing human neocortex retain features of radial glia, in contrast to rodent SVZ progenitors, which have limited proliferation potential. Although delaminating from apical adherens junctions, OSVZ progenitors maintained a basal process contacting the basal lamina, a canonical epithelial property. OSVZ progenitor divisions resulted in asymmetric inheritance of their basal process. Notably, OSVZ progenitors are also found in the ferret, a gyrencephalic nonprimate. Functional disruption of integrins, expressed on the basal process of ferret OSVZ progenitors, markedly decreased the OSVZ progenitor population size, but not that of other, process-lacking SVZ progenitors, in slice cultures of ferret neocortex. Our findings suggest that maintenance of this epithelial property allows integrin-mediated, repeated asymmetric divisions of OSVZ progenitors, providing a basis for neocortical expansion.

The human brain has undergone rapid expansion since humans diverged from other great apes, but the mechanism of this human-specific enlargement is still unknown. Here, we use cerebral organoids derived from human, gorilla, and chimpanzee cells to study developmental mechanisms driving evolutionary brain expansion. We find that neuroepithelial differentiation is a protracted process in apes, involving a previously unrecognized transition state characterized by a change in cell shape. Furthermore, we show that human organoids are larger due to a delay in this transition, associated with differences in interkinetic nuclear migration and cell cycle length. Comparative RNA sequencing (RNA-seq) reveals differences in expression dynamics of cell morphogenesis factors, including ZEB2, a known epithelial-mesenchymal transition regulator. We show that ZEB2 promotes neuroepithelial transition, and its manipulation and downstream signaling leads to acquisition of nonhuman ape architecture in the human context and vice versa, establishing an important role for neuroepithelial cell shape in human brain expansion.

Abstract The human brain has undergone rapid expansion since humans diverged from other great apes, but the mechanism of this human-specific enlargement is still unknown. Here, we use cerebral organoids derived from human, gorilla and chimpanzee cells to study developmental mechanisms driving evolutionary brain expansion. We find that the differentiation of neuroepithelial cells to neurogenic radial glia is a protracted process in apes, involving a previously unrecognized transition state characterized by a change in cell shape. Furthermore, we show that human organoids are larger due to a delay in this transition. Temporally resolved RNA-seq from human and gorilla organoids reveals differences in gene expression patterns associated with cell morphogenesis, and in particular highlights ZEB2 , a known regulator of epithelial-mesenchymal transition and cell shape. We show, through loss- and gain-of-function experiments, that ZEB2 promotes the progression of neuroepithelial differentiation, and its ectopic overexpression in human is sufficient to trigger a premature transition. Thus, by mimicking the nonhuman ape expression in human organoids, we are able to force the acquisition of nonhuman ape architecture, establishing for the first time, an instructive role of neuroepithelial cell shape in human brain expansion.

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 The presence of male-female brain differences has long been a controversial topic. Yet simply negating the existence of biological differences has detrimental consequences for all sexes and genders, particularly for the development of accurate diagnostic tools, effective drugs and understanding of disease. The most well-established morphological difference is size, with males having on average a larger brain than females; yet a mechanistic understanding of how this difference arises remains to be elucidated. Here, we use brain organoids to test the roles of sex chromosomes and sex steroids during development. While we show no observable differences between XX and XY brain organoids, sex steroids, namely androgens, increase proliferation of cortical neural progenitors. Transcriptomic analysis reveals effects on chromatin remodelling and HDAC activity, both of which are also implicated in the male-biased conditions autism spectrum disorder and schizophrenia. Finally, we show that higher numbers of progenitors result specifically in increased upper-layer excitatory neurons. These findings uncover a hitherto unknown role for male sex hormones in regulating excitatory neuron number within the human neocortex and represent a first step towards understanding the origin of human sex-related brain differences.

The complex and dynamic cellular composition of the human endometrium remains poorly understood. Previous endometrial single-cell atlases profiled few donors and lacked consensus in defining cell types. We introduce the Human Endometrial Cell Atlas (HECA), a high-resolution single-cell reference atlas (313,527 cells) combining published and new endometrial single-cell transcriptomics datasets of 63 women with and without endometriosis. HECA assigns consensus and identifies previously unreported cell types, mapped in situ using spatial transcriptomics and validated using a new independent single-nuclei dataset (312,246 nuclei, 63 donors). In the functionalis, we identify intricate stromal-epithelial cell coordination via transforming growth factor beta (TGFβ) signaling. In the basalis, we define signaling between fibroblasts and an epithelial population expressing progenitor markers. Integration of HECA with large-scale endometriosis genome-wide association study data pinpoints decidualized stromal cells and macrophages as most likely dysregulated in endometriosis. The HECA is a valuable resource for studying endometrial physiology and disorders, and for guiding microphysiological in vitro systems development.

The human endometrium, the inner lining of the uterus, exhibits complex, dynamic changes throughout the menstrual cycle in response to ovarian hormones. Aberrant response of endometrial cells to hormones is associated with multiple disorders, including endometriosis. Previous single-cell studies of the endometrium profiled a limited number of donors and lacked consensus in defining cell types and states. Here, we introduce the Human Endometrial Cell Atlas (HECA), a high-resolution single-cell reference atlas, combining published and newly generated single-cell transcriptomics datasets of endometrial biopsies of women with and without endometriosis. The HECA assigned consensus cell types and states, and uncovered novel ones, which we mapped in situ using spatial transcriptomics. We quantified how coordinated interactions between cell states in space and time contribute to endometrial regeneration and differentiation. In the continuously changing functionalis layer, we identified an intricate coordination of TGFβ signalling between stromal and epithelial cells, likely crucial for cell differentiation. In the basalis layer, we defined signalling between fibroblasts and a new epithelial cell population expressing epithelial stem/progenitor markers, suggesting their role in endometrial regeneration. Additionally, integrating the HECA single-cell data with genome-wide association study data and comparing endometrial samples from women with and without endometriosis, we pinpointed subsets of decidualised stromal cells and macrophages as the most dysregulated cell states in endometriosis. Overall, the HECA is an invaluable resource for studying endometrial physiology, investigating endometrial disorders, and guiding the creation of endometrial microphysiological in vitro systems.

Expansion of the neocortex is a hallmark of human evolution. However, it remains an open question what adaptive mechanisms facilitated its expansion. Here we show, using gyrencephaly index (GI) and other physiological and life-history data for 102 mammalian species, that gyrencephaly is an ancestral mammalian trait. We provide evidence that the evolution of a highly folded neocortex, as observed in humans, requires the traversal of a threshold of ∼109 neurons, and that species above and below the threshold exhibit a bimodal distribution of physiological and life-history traits, establishing two phenotypic groups. We identify, using discrete mathematical models, proliferative divisions of progenitors in the basal compartment of the developing neocortex as evolutionarily necessary and sufficient for generating a fourteen-fold increase in daily prenatal neuron production and thus traversal of the neuronal threshold. Finally, using RNA-seq data from fetal human neocortical germinal zones, we show a genomic correlate to the neuron threshold in the differential conservation of long intergenic non-coding RNA.

The primary function of the thyroid gland is the synthesis and release of thyroid hormones, which are essential for health from embryogenesis to adulthood. Thyroid disorders occur frequently and include congenital hypothyroidism, which occurs due to aberrant thyroid development (thyroid dysgenesis) or impaired hormone synthesis and is particularly prevalent in trisomy 21 (T21). In contrast, thyroid carcinoma, an acquired disorder, is the most common endocrine malignancy in both paediatric and adult populations. Understanding the molecular basis of thyroid dysgenesis and paediatric thyroid carcinoma remains challenging, and requires an improved understanding of foetal thyroid development. To address this, we generated a comprehensive spatiotemporal atlas of the human thyroid during the first and second trimesters of pregnancy. Profiling over 200,000 cells with single-cell sequencing revealed key cell types involved in thyroid gland development, including the hormone-producing thyrocytes. We discovered that foetal thyroid follicular cells are heterogeneous epithelial populations consisting of two main functional subtypes (fTFC1, fTFC2), with fTFC2 expressing increased levels of PAX8, and spatial transcriptomics revealed subtype co-occurrence within individual follicles. While both fTFC1 and fTFC2 persist in adult thyroid, fTFC2 is a minor population amongst additional PAX8-positive follicular cell subsets. We observed thyroid dysgenesis in T21 age-matched specimens, and T21 thyrocytes showed transcriptional signatures of cytoskeletal disorganisation and altered interactions with the extracellular matrix, as well as compensatory activation of metabolic stress gene programs and upregulation of thyroid biosynthetic genes. In line with the altered proportions of fTFC2 in healthy foetal and adult thyroid, papillary thyroid cancer in children is transcriptionally enriched for the fTFC2 signature compared to that in adults. All together, these findings reveal thyrocyte heterogeneity across the lifespan and provide insights into thyroid development in health and disease, informing potential therapeutic interventions.

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.