Abstract Circadian rhythms in gene expression and hormones are ubiquitous across species and differentiated cell types. This study aimed to determine when daily rhythms begin in the fetus and synchronize to the mother. We developed methods to monitor the expression of fetal PERIOD2 (PER2), a core circadian clock protein, in mice longitudinally from embryonic day (E)8.5 to E17.5 through in utero bioluminescence imaging. We found that embryonic PER2 expression increased rapidly throughout pregnancy and exhibited day-night rhythms from the start of our recordings at E8.5. The daily peak time of PER2 varied between pregnancies until it reliably peaked at night and synchronized to the mother starting around E15.5. Loss of fetal circadian rhythms associated with pregnancies that ultimately failed. Because maternal glucocorticoids have been implicated in fetal development and synchronizing circadian tissues, we tested their sufficiency to shift fetal daily rhythms in utero. Daily glucocorticoids injections over five days of late pregnancy advanced fetal PER2 rhythms in utero and blocking glucocorticoid signaling in vitro reduced PER2 synchrony between the maternal and fetal placenta by ∼40%. We conclude that fetal daily rhythms arise early in pregnancy and then synchronize with the maternal rhythm prior to birth depending, in part, on glucocorticoid signaling.

Abstract Depolarization of the myometrial smooth muscle cell (MSMC) resting membrane potential is necessary for the transition of the uterus from a quiescent state to a contractile state. The molecular mechanisms involved in this transition are not completely understood. Here, we report a novel coupled system between the Na + -activated K + channel (SLO2.1) and the non-selective Na + leak channel (NALCN) which determines the MSMC membrane potential. We show that SLO2.1 currents are activated by an inward Na + leak current carried by the NALCN channel leading to MSMC hyperpolarization. These results show an unanticipated role for the Na + leak currents in activating a negative feedback system countering the excitable effects of Na + currents. This is a novel role for the NALCN channel in which Na + acts as an intracellular signaling molecule. In fact, we report here that the net effect of Na + entry through NALCN channels is a hyperpolarization of the MSMCs plasma membrane because of the activation of SLO2.1 K channel. Importantly, we also report that a decrease in NALCN/SLO2.1 activity triggers both Ca 2+ entries through VDCCs, promoting myometrial contraction. Consistently, with a functional coupling, our data show that NALCN and SLO2.1 are in proximity to one another in human MSMCs. We propose that the spatial arrangement of SLO2.1 and NALCN permits these channels to functionally interact in order to regulate human MSMC membrane potential and cell excitability to modulate uterine contractile activity.

Abstract The placenta, the first organ to functionally mature, undergoes disordered development in many pregnancy complications. Molecular investigations have been hampered by the extreme cellular heterogeneity of the placenta, and this complexity is further exaggerated at the maternal-fetal interface where maternal and fetal cells co-mingle. We generated the paired single nucleus epigenomes and transcriptome for each of ∼200,000 cells at the human maternal-fetal interface from early pregnancy to term. These data identified cell-type-specific transcriptional regulatory programs and uncovered key transcription factors driving the lineage differentiation of placental cytotrophoblasts. Integrating spatial single cell proteomics profiling, we localized the observed cell types in situ , and characterized the dynamic stages and distinct features of endothelial cells of maternal spiral arteries remodeled by extravillous cytotrophoblasts. Integrative analyses of the single cell data across gestation enabled fine-mapping of the developmental trajectories of cytotrophoblasts and decidual stromal cells, and defining the signature molecular profiles of known and novel cell (sub)types. To demonstrate clinical value, we integrated the reference single cell data with large-scale population genomes from pregnancy complications and identified the most vulnerable maternal and fetal cell types in preeclampsia, preterm birth, and miscarriage. This study presents the most comprehensive placental and decidual single cell resource across gestation to date, reveals new insights into the drivers of normal human placentation, and uncovers the cellular basis of dysfunction associated with common pregnancy complications.

Abstract Uterine contraction patterns vary during the ovulatory cycle and throughout pregnancy but prior measurements have produced limited and conflicting information on these patterns. We combined a virally delivered genetically encoded calcium reporter (GCaMP8m) and ultra-widefield imaging in live nonpregnant mice to characterize uterine calcium dynamics at organ scale throughout the estrous cycle. Prior to ovulation (proestrus and estrus) uterine excitations primarily initiated in a region near the oviduct, but after ovulation (metestrus and diestrus), excitations initiated at loci homogeneously distributed throughout the organ. The frequency of excitation events was lowest in proestrus and estrus, higher in metestrus and highest in diestrus. These results establish a platform for mapping uterine activity, and show that the question of whether there is an anatomically localized trigger for uterine excitations depends on the estrous cycle phase.

Approximately half of U.S. women giving birth annually receive Pitocin, the synthetic form of oxytocin (OXT), yet its effective dose can vary significantly. This variability presents safety concerns due to unpredictable responses, which may lead to adverse outcomes for both mother and baby. To address the need for improved dosing, we developed a data-driven mathematical model to predict OXT receptor (OXTR) binding. Our study focuses on five prevalent OXTR variants (V45L, P108A, L206V, V281M, and E339K) and their impact on OXT-OXTR binding dynamics in two distinct cell types: human embryonic kidney cells (HEK293T), commonly used in experimental systems, and human myometrial smooth muscle cells, containing endogenous OXTR. We parameterized the model with cell-specific OXTR surface localization measurements. To strengthen the robustness of our study, we conducted a comprehensive meta-analysis of OXT- OXTR binding, enabling parameterization of our model with cell-specific OXT-OXTR binding kinetics (myometrial OXT-OXTR K

Abstract At the end of pregnancy, the uterus transitions from a quiescent to a highly contractile state. This is partly due to depolarization of the resting membrane potential in uterine (myometrial) smooth muscle cells (MSMCs). Experiments with human MSMCs showed that the membrane potential is regulated by a functional complex between the sodium (Na + )-activated potassium (K + ) channel SLO2.1 and the Na + Leak Channel Non-Selective (NALCN). In human MSMCs, Na + entering through NALCN activates SLO2.1, leading to K + efflux, membrane hyperpolarization (cells become more negative inside), and reduced contractility. Decreased SLO2.1/NALCN activity results in reduced K + efflux, leading to membrane depolarization, Ca 2+ influx via voltage-dependent calcium channels, and increased MSMC contractility. However, all of these experiments were performed with MSMCs isolated from women at term, so the role of the SLO2.1/NALCN complex early in pregnancy was speculative. To address this question here, we examined the role of the SLO2.1/NALCN complex in regulating mouse MSMC membrane potential across pregnancy. We report that Slo2 . 1 and Nalcn expression change along pregnancy, being more highly expressed in MSMCs from non-pregnant and early pregnant mice than in those from late-pregnant mice. Functional studies revealed that SLO2.1 channels mediate a significant portion of the K + current in mouse MSMCs, particularly in cells from non-pregnant and early pregnant mice. Activation of SLO2.1 by Na + influx through NALCN led to membrane hyperpolarization in MSMCs from early pregnancy but not in MSMCs from later pregnancy. Moreover, we found that the NALCN/SLO2.1 complex regulates intracellular Ca 2+ responses more in MSMCs from non-pregnant and early pregnancy mice than in MSMCs from late pregnancy. Together, these findings reveal that the SLO2.1/NALCN functional complex is conserved between mouse and humans and functions throughout pregnancy. This work could open avenues for targeted pharmacological interventions in pregnancy-related complications.

ABSTRACT Background Despite the widespread use of oxytocin for induction of labor, mechanistic insights into maternal and neonatal wellbeing are lacking because of the absence of an animal model that recapitulates modern obstetric practice. Objective The objectives of this research were to create and validate a hi-fidelity animal model that mirrors labor induction with oxytocin in parturients and to assess its translational utility. Study Design The study was performed in timed-pregnant Sprague Dawley dams. The model consisted of a subcutaneously implanted microprocessor-controlled infusion pump on gestational day 18 that was pre-programmed to deliver an escalating dose of intravenous oxytocin on gestational day 21 to induce birth. Once predictable delivery of healthy pups was achieved, we validated the model with molecular biological experiments on the uterine myometrium and telemetry-supported assessment of changes in intrauterine pressure. Finally, we applied this model to test the hypothesis that labor induction with oxytocin was associated with oxidative stress in the newborn brain with a comprehensive array of biomarker assays and oxidative stress gene expression studies. Results During the iterative model development phase, we confirmed the optimal gestational age for pump implantation, the concentration of oxytocin, and the rate of oxytocin administration. Exposure to anesthesia and surgery during pump implantation was not associated with significant changes in the cortical transcriptome. Activation of pump with oxytocin on gestational day 21 resulted in predictable delivery of pups within 8-12 hours. Increased frequency of change of oxytocin infusion rate was associated with dystocic labor. Labor induction and augmentation with oxytocin was associated with increased expression of the oxytocin receptor gene in the uterine myometrium, decreased expression of the oxytocin receptor protein on the myometrial cell membrane, and cyclical increases in intrauterine pressure. Examination of the frontal cortex of vaginally delivered newborn pups born after oxytocin-induced labor did not reveal an increase in oxidative stress compared to saline-treated control pups. Specifically, there were no significant changes in oxidative stress biomarkers involving both the oxidative stress (reactive oxygen/nitrogen species, 4-hydroxynonenal, protein carbonyl) and the antioxidant response (total glutathione, total antioxidant capacity). In addition, there were no significant differences in the expression of 16 genes emblematic of the oxidative stress response pathway. Conclusions Collectively, we provide a viable and realistic animal model for labor induction and augmentation with oxytocin. We demonstrate its utility in addressing clinically relevant questions in obstetric practice that could not be mechanistically ascertained otherwise. Based on our findings, labor induction with oxytocin is not likely to cause oxidative stress in the fetal brain. Adoption of our model by other researchers would enable new lines of investigation related to the impact of perinatal oxytocin exposure on the mother-infant dyad.