Significance The human indigenous microbial communities (microbiota) play critical roles in health and may be especially important for mother and fetus during pregnancy. Using a case-control cohort of 40 women, we characterized weekly variation in the vaginal, gut, and oral microbiota during and after pregnancy. Microbiota membership remained relatively stable at each body site during pregnancy. An altered vaginal microbial community was associated with preterm birth; this finding was corroborated by an analysis of samples from an additional cohort of nine women. We also discovered an abrupt change in the vaginal microbiota at delivery that persisted in some cases for at least 1 y. Our findings suggest that pregnancy outcomes might be predicted by features of the microbiota early in gestation.

Abstract A new biochemical method for estimating the virtual number of mitochondria (mt) per cell was developed and used together with a plasmid probe to measure mt DNA/mitochondrion and mt DNA/cell. These methods were used in five cell types from four mammalian species. Mt DNA/mitochondrion was essentially constant in all cell types (mean 2.6 ± 0.30 SE mitochondrial DNA molecules/mt). Mt DNA molecules/cell encompassed an eight‐fold range between various cell types (low 220 ± 6.2; high 1,720 ± 162 mt DNA molecules/cell). Virtual mt number/cell ranged from 83 ± 17 to 677 ± 80 (SE) mt/cell in various cell types. All five mammalian virtual mitochondria contained the same genomic mass. The number of virtual mitochondria per cell and amount of mt DNA per cell appear to be closely regulated within a given cell type but differ widely from cell type to cell type.

Background & AimsThe ability to obtain unlimited numbers of human hepatocytes would improve the development of cell-based therapies for liver diseases, facilitate the study of liver biology, and improve the early stages of drug discovery. Embryonic stem cells are pluripotent, potentially can differentiate into any cell type, and therefore could be developed as a source of human hepatocytes.MethodsTo generate human hepatocytes, human embryonic stem cells were differentiated by sequential culture in fibroblast growth factor 2 and human activin-A, hepatocyte growth factor, and dexamethasone. Functional hepatocytes were isolated by sorting for surface asialoglycoprotein-receptor expression. Characterization was performed by real-time polymerase chain reaction, immunohistochemistry, immunoblot, functional assays, and transplantation.ResultsEmbryonic stem cell–derived hepatocytes expressed liver-specific genes, but not genes representing other lineages, secreted functional human liver–specific proteins similar to those of primary human hepatocytes, and showed human hepatocyte cytochrome P450 metabolic activity. Serum from rodents given injections of embryonic stem cell–derived hepatocytes contained significant amounts of human albumin and α1-antitrypsin. Colonies of cytokeratin-18 and human albumin–expressing cells were present in the livers of recipient animals.ConclusionsHuman embryonic stem cells can be differentiated into cells with many characteristics of primary human hepatocytes. Hepatocyte-like cells can be enriched and recovered based on asialoglycoprotein-receptor expression and potentially could be used in drug discovery research and developed as therapeutics. The ability to obtain unlimited numbers of human hepatocytes would improve the development of cell-based therapies for liver diseases, facilitate the study of liver biology, and improve the early stages of drug discovery. Embryonic stem cells are pluripotent, potentially can differentiate into any cell type, and therefore could be developed as a source of human hepatocytes. To generate human hepatocytes, human embryonic stem cells were differentiated by sequential culture in fibroblast growth factor 2 and human activin-A, hepatocyte growth factor, and dexamethasone. Functional hepatocytes were isolated by sorting for surface asialoglycoprotein-receptor expression. Characterization was performed by real-time polymerase chain reaction, immunohistochemistry, immunoblot, functional assays, and transplantation. Embryonic stem cell–derived hepatocytes expressed liver-specific genes, but not genes representing other lineages, secreted functional human liver–specific proteins similar to those of primary human hepatocytes, and showed human hepatocyte cytochrome P450 metabolic activity. Serum from rodents given injections of embryonic stem cell–derived hepatocytes contained significant amounts of human albumin and α1-antitrypsin. Colonies of cytokeratin-18 and human albumin–expressing cells were present in the livers of recipient animals. Human embryonic stem cells can be differentiated into cells with many characteristics of primary human hepatocytes. Hepatocyte-like cells can be enriched and recovered based on asialoglycoprotein-receptor expression and potentially could be used in drug discovery research and developed as therapeutics.

The maintenance of pregnancy relies on finely tuned immune adaptations. We demonstrate that these adaptations are precisely timed, reflecting an immune clock of pregnancy in women delivering at term. Using mass cytometry, the abundance and functional responses of all major immune cell subsets were quantified in serial blood samples collected throughout pregnancy. Cell signaling-based Elastic Net, a regularized regression method adapted from the elastic net algorithm, was developed to infer and prospectively validate a predictive model of interrelated immune events that accurately captures the chronology of pregnancy. Model components highlighted existing knowledge and revealed previously unreported biology, including a critical role for the interleukin-2-dependent STAT5ab signaling pathway in modulating T cell function during pregnancy. These findings unravel the precise timing of immunological events occurring during a term pregnancy and provide the analytical framework to identify immunological deviations implicated in pregnancy-related pathologies.

Significance Premature birth (PTB) is a major global public health burden. Previous studies have suggested an association between altered vaginal microbiota composition and PTB, although findings across studies have been inconsistent. To address these inconsistencies, improve upon our previous signature, and better understand the vaginal microbiota’s role in PTB, we conducted a case-control study in two cohorts of pregnant women: one predominantly Caucasian at low risk of PTB, the second predominantly African American at high risk. With the results, we were able to replicate our signature in the first cohort and refine our signature of PTB for both cohorts. Our findings elucidate the ecology of the vaginal microbiota and advance our ability to predict and understand the causes of PTB.

Toward more predictable birthdays Low-cost methods for monitoring fetal development could improve prenatal care, especially in low-resource settings. By measuring the levels of certain placental RNA transcripts in maternal blood, Ngo et al. developed two noninvasive blood tests that provide a window into the progression of individual pregnancies. In a small proof-of-concept study, the first blood test predicted fetal age and delivery date with an accuracy comparable to that of ultrasound. The second blood test, also examined in a small pilot study, discriminated women at risk of preterm delivery from those who delivered at full term. The next step will be to assess the reliability of the tests in large, blinded clinical trials. Science , this issue p. 1133

Abstract The vaginal ecosystem is closely tied to human health and reproductive outcomes. However, its dynamics in the wake of childbirth remain poorly characterized. Here, we profiled the vaginal microbiota and cytokine milieu of subjects sampled throughout pregnancy (two cohorts; n = 196 pregnancies) and, in a subset, for one year postpartum (one cohort; n = 72 pregnancies). Delivery was associated with a vaginal pro-inflammatory cytokine response and the depletion of dominant taxa – typically, Lactobacillus species. By contrast, neither the progression of gestation nor the approach of labor strongly altered the vaginal ecosystem. At ~9.5 months postpartum (the latest timepoint at which cytokines were analyzed), elevated inflammation was associated with vaginal bacterial communities that had remained perturbed (i.e., highly diverse) from the time of delivery. Using time-to-event analysis, we found that the one-year postpartum probability of transitioning to Lactobacillus dominance was 49.4% (95% confidence interval (CI) [33.6%, 61.5%]; n = 58 at-risk cases, 86.2% of whom experienced this state prior to delivery). As diversity and inflammation declined postpartum, dominance by L. crispatus , the quintessential health-associated state, failed to recover: its prevalence before, immediately after, and one year after delivery was 41%, 4%, and 9%, respectively. Over the same period, states quasi-dominated by non- Lactobacillus species grew more common. Prompted by these findings, we revisited our pre-delivery data, discovering that a history of prior live birth was associated with a lower odds of L. crispatus dominance in pregnant subjects (odds ratio (OR) 0.14; 95% CI [0.06, 0.32]; P < 0.001) – an outcome modestly tempered by a longer (>18-month) interpregnancy interval. Our results suggest that reproductive history and childbirth in particular remodel the vaginal ecosystem and that the timing and degree of recovery from delivery may help determine the subsequent health of the woman and of future pregnancies.

Background: Placental protein expression plays a crucial biological role during normal and complicated pregnancies. We hypothesized that: (1) circulating pregnancy-associated, placenta-related protein levels throughout gestation reflect the uncomplicated, full-term temporal progression of human gestation, and effectively estimates gestational ages (GAs); (2) pregnancies with underlying placental pathology, such as preeclampsia (PE), are associated with disruptions in this GA estimation in early gestation; (3) malfunctions of this GA estimation can be employed to identify impending PE. In addition, to explore the underlying biology and PE etiology, we set to compare protein gestational patterns of human and mouse, using pregnant heme oxygenase-1 (HO-1) heterozygote (Het) mice, a mouse model reflecting PE-like symptoms. Methods: Serum levels of circulating placenta-related proteins-leptin (LEP), chorionic somatomammotropin hormone like 1 (CSHL1), elabela (ELA), activin A, soluble fms-like tyrosine kinase 1 (sFlt-1), and placental growth factor (PlGF)-were quantified by ELISA in blood serially collected throughout human pregnancies (20 normal subjects with 66 samples, and 20 PE subjects with 61 samples). Linear multivariate analysis of the targeted serological protein levels was performed to estimate the normal GA. Logarithmic transformed mean-squared errors of GA estimations were used to identify impending PE. Then the human gestational protein patterns were compared to those in the pregnant HO-1 mice. Results: An elastic net (EN)-based gestational dating model was developed (R2 = 0.76) and validated (R2 = 0.61) using the serum levels of the 6 proteins at various GAs from women with normal uncomplicated pregnancies (n = 10 for training and n = 6 for validation). In pregnancies complicated by PE (n = 14), the EN model was not (R2 = -0.17) associated with GA at sampling in PE. Statistically significant deviations from the normal GA EN model estimations were observed in PE-associated pregnancies between GAs of 16-30 weeks (P = 0.01). The EN model developed with 5 proteins (ELA excluded due to the lack of robustness of the mouse ELA essay) performed similarly on normal human (R2 = 0.68) and WT mouse (R2 = 0.85) pregnancies. Disruptions of this model were observed in both human PE-associated (human: R2 = 0.27) and mouse HO-1 Het (mouse: R2 = 0.30) pregnancies. LEP out performed sFlt-1 and PlGF in differentiating impending PE at early human and late mouse gestations. Conclusions: As revealed in both human and mouse GA EN analyses, temporal serological placenta-related protein patterns are tightly regulated throughout normal human pregnancies and can be significantly disrupted in pathologic PE states. LEP changes earlier during gestation than the well-established late GA PE biomarkers (sFlt-1 and PlGF). Our HO-1 Het mouse analysis provides direct evidence of the causative action of HO-1 deficiency in LEP upregulation in a PE-like murine model. Therefore, longitudinal analyses of pregnancy-related protein patterns in sera, may not only help in the exploration of underlying PE pathophysiology but also provide better clinical utility in PE assessment.

We performed a high time-resolution, longitudinal study of normal pregnancy development by measuring cell-free RNA (cfRNA) in blood from women during each week of pregnancy. Analysis of tissue-specific transcripts in these samples enabled us to follow fetal and placental development with high resolution and sensitivity, and also to detect gene-specific responses of the maternal immune system to pregnancy. We established a "clock" for normal pregnancy development and enabled a direct molecular approach to determine expected delivery dates with comparable accuracy to ultrasound, creating the basis for a portable, inexpensive fetal dating method. We also identified a related gene set that accurately discriminated women at risk for spontaneous preterm delivery up to two months in advance of labor, forming the basis of a potential screening test for risk of preterm delivery.