The genetic causes of nonsyndromic ovarian insufficiency are largely unknown. A nuclear receptor, NR5A1 (also called steroidogenic factor 1), is a key transcriptional regulator of genes involved in the hypothalamic–pituitary–steroidogenic axis. Mutation of NR5A1 causes 46,XY disorders of sex development, with or without adrenal failure, but growing experimental evidence from studies in mice suggests a key role for this factor in ovarian development and function as well.

Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.

Abstract The cellular transcriptome may provide clues into the differentiation state and origin of human cancer, as tumor cells may retain patterns of gene expression similar to the cell they derive from. Here, we studied the differentiation state and cellular origin of human kidney tumors, by assessing mRNA signals in 1,300 childhood and adult renal tumors, spanning seven different tumor types. Using single cell mRNA reference maps of normal tissues generated by the Human Cell Atlas project, we measured the abundance of reference “cellular signals” in each tumor. Quantifying global differentiation states, we found that, irrespective of tumor type, childhood tumors exhibited fetal cellular signals, thus replacing the long-held presumption of “fetalness” with a precise, quantitative readout of immaturity. By contrast, in adult cancers our assessment refuted the suggestion of dedifferentiation towards a fetal state in the overwhelming majority of cases, with the exception of lethal variants of clear cell renal cell carcinoma. Examining the specific cellular phenotype of each tumor type revealed an intimate connection between the different mesenchymal populations of the developing kidney and childhood renal tumors, whereas adult tumors mostly represented specific mature tubular cell types. RNA signals of each tumor type were remarkably uniform and specific, indicating a possible therapeutic and diagnostic utility. We demonstrated this utility with a case study of a cryptic renal tumor. Whilst not classifiable by clinical pathological work-up, mRNA signals revealed the diagnosis. Our findings provide a cellular definition of human renal tumors through an approach that is broadly applicable to human cancer.

Abstract Context Diabetes mellitus (DM) risk factors in Turner syndrome (TS) may include autoimmunity, obesity, β-cell dysfunction, genetic predisposition, and insulin resistance (IR). Objective This work aimed to evaluate glucose tolerance and DM risk factors in adults with TS. Methods A single-center study with 2 phases was conducted to determine the prevalence of DM and to assess DM risk markers comparing women with TS with and without impaired glucose tolerance (IGT). The study took place at a tertiary referral center, University College Hospitals. A total of 106 women with TS (age range, 18-70 years) undergoing annual health surveillance underwent oral glucose tolerance tests (OGTTs), with additional samples for autoimmunity and genetic analysis. Main outcome measures included glucose tolerance, insulin, autoimmune, and single-nucleotide variation (SNV) profile. Results OGTT screening showed that among those without a previous DM diagnosis, 72.7% had normal glucose tolerance, 19.5% had IGT, and 7.6% were newly diagnosed with DM. OGTT identified more cases of DM than glycated hemoglobin A1c sampling alone. Women with IGT or DM were older, with higher body mass index and IR. No association was found between autoimmune markers glutamic acid decarboxylase (GAD), islet antigen-2, and zinc transporter 8, risk karyotypes, or selected SNVs and DM. In DM cases, GAD positivity was associated with requirement for insulin therapy. The median age of onset of the diagnosis of DM was 36 years (range, 11-56 years). Conclusion In the spectrum of DM subtypes, TS-associated DM lies between type 1 and type 2 DM with features of both. Key factors include weight and IR. Assessing C-peptide or GAD antibodies may aid future insulin requirement.

Study question Can single-nuclei and bulk RNA sequencing technologies be used to elucidate novel mechanisms of ovarian insufficiency in Turner Syndrome (TS)? Summary answer Using single-nucleus and bulk RNA sequencing approaches, we identified novel potential pathogenic mechanisms underlying ovarian insufficiency in TS including and beyond X chromosome haploinsufficiency. What is known already Turner syndrome (TS) is the most common genetic cause of Primary Ovarian Insufficiency (POI) in humans. Morphological analyses of human fetal 45,X ovaries have demonstrated fewer germ cells and marked apoptosis established by 15-20 weeks post conception (wpc); however, we do not understand why POI develops mechanistically in the first instance. Study design, size, duration Single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq): two 46,XX and two 45,X (TS) human fetal ovaries at 12-13 wpc. Bulk RNA sequencing: 19 human fetal ovary, 20 fetal testis, and 8 fetal control tissue (n=47 total samples; Carnegie Stage 22-16wpc). Participants/materials, setting, methods To identify novel potential mechanisms of ovarian insufficiency in TS and to characterise X chromosome gene expression in the 45,X ovary, we performed snRNA-seq of peri-meiotic 46,XX (n=2) and 45,X (n=2) fetal ovaries at 12-13 weeks post conception (wpc); and 2) a bulk RNA sequencing time-series analysis of fetal ovary, testis, and control samples across four developmental timepoints. Main results and the role of chance Germ and somatic cell subpopulations were mostly shared across 46,XX and 45,X ovaries, aside from a 46XX-specific/45,X-depleted cluster of oogonia (“synaptic oogonia”) containing genes with functions relating to sex chromosome synapsis; histone modification; intracellular protein regulation and chaperone systems. snRNA-seq enabled accurate cell counting localised to individual cell clusters; the 45,X ovary has fewer germ cells than the 46,XX ovary in every germ cell subpopulation, confirmed by histopathological analysis. The normal sequence of X-chromosome inactivation and reactivation is disrupted in 45,X ovaries; XIST was not expressed in 45,X somatic cells but was present in germ cell clusters, albeit with lower expression than in corresponding 46,XX clusters. The 45,X ovary has a globally abnormal transcriptome, with low expression of genes with proteostasis functions ( RSP4X ); cell cycle progression ( BUB1B ); and OXPHOS mitochondrial energy production ( COX6C, ATP11C ). Genes with higher expression in 45,X cell populations were enriched for apoptotic functions (e.g., NR4A1 ). Limitations, reasons for caution Limitations include the relatively small sample size of the snRNA-seq analysis and the focus on a fixed meiotic timepoint which may overlook a dynamic process over time. Wider implications of the findings We characterise the human fetal peri-meiotic 45,X ovary at single-cell resolution and offer insights into novel pathogenic mechanisms underlying ovarian insufficiency in TS. Although asynapsis due to X chromosome haploinsufficiency likely plays a significant role, these data suggest meiotic failure and ovarian insufficiency may be a combinatorial process characterised by periods of vulnerability throughout early 45,X germ cell development Study funding/competing interest(s) This research was funded in whole, or in part, by the Wellcome Trust Grants 216362/Z/19/Z to SMcG-B and 209328/Z/17/Z to JCA. Human fetal material was provided by the Joint MRC/Wellcome Trust (Grant MR/R006237/1) Human Developmental Biology Resource ( http://www.hdbr.org ). Research at UCL Great Ormond Street Institute of Child Health is supported by the National Institute for Health Research, Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre (grant IS-BRC-1215-20012).

ABSTRACT Monosomy X (45,X) is associated with Turner syndrome and pregnancy loss in humans, but the underlying mechanisms remain unclear. We therefore analyzed the transcriptomic landscape of clinically relevant human fetal 45,X tissues (including pancreas, liver, kidney, skin, placenta) with matched 46,XX and 46,XY control samples between 11-15 weeks post conception (n=78). Although most pseudoautosomal region 1 (PAR1) genes were lower in monosomy X tissues, we also found reduced expression of several key genes escaping X inactivation (e.g., KDM5C and KDM6A ), and potentially clinically important transcripts such as genes implicated in ascending aortic aneurysm. In contrast, higher expression of an autosomal, long non-coding RNA ( OVCH1-AS1 ) was seen in all 45,X tissues. In the placenta, lower expression of CSF2RA was demonstrated, likely contributing to immune dysregulation. Taken together, these findings provide novel insights into the biological consequences of a single X chromosome during early human development and potential insights in genetic mechanisms in Turner syndrome.

The complex genetic mechanisms underlying human ovary development can give rise to clinical phenotypes if disrupted, such as Primary Ovarian Insufficiency and Differences of Sex Development. Through a clinically-focused lens, we combine single-nuclei RNA sequencing, bulk RNA sequencing, and micro-focus computed tomography to elucidate the anatomy and transcriptional landscape of the human fetal ovary across key developmental timepoints (Carnegie Stage 22 until 20 weeks post conception). We show the marked growth and distinct morphological changes within the fetal ovary at the critical timepoint of germ cell expansion, and demonstrate that the fetal ovary becomes more transcriptomically distinct from the testis with age. We describe novel ovary developmental pathways, relating to neuroendocrine signalling, energy homeostasis, mitochondrial networks, piRNA processes, and inflammasome regulation. We define transcriptional regulators and candidate genes for meiosis within the developing ovary. Together, this work advances our fundamental understanding of human ovary development and clinical ovarian insufficiency phenotypes.

Abstract The influence of sex chromosomes and sex hormones on early human brain development is poorly understood. We therefore undertook transcriptomic analysis of 46,XY and 46,XX human brain cortex samples (n=64) at four different time points between 7.5 and 17 weeks post conception (wpc), in two independent studies. This developmental period encompasses the onset of testicular testosterone secretion in the 46,XY fetus (8wpc). Differences in sex chromosome gene expression included X-inactivation genes ( XIST , TSIX ) in 46,XX samples; core Y chromosome genes (n=18) in 46,XY samples; and two Y chromosome brain specific genes, PCDH11Y and RP11-424G14.1 . PCDH11Y (protocadherin11 Y-linked ) regulates excitatory neurons; this gene is unique to humans and is implicated in language development. RP11-424G14.1 is a novel long non-coding RNA. Fewer differences in sex hormone pathway-related genes were seen. The androgen receptor ( AR , NR4A2) showed cortex expression in both sexes, which decreased with age. Global cortical sex hormone effects were not seen, but more localized AR mechanisms may be important with time (e.g., hypothalamus). Taken together, our data suggest that limited but potentially important sex differences occur during early human fetal brain development.

Abstract The adrenal glands synthesize and release essential steroid hormones such as cortisol and aldosterone, but the mechanisms underlying human adrenal gland development are not fully understood. Here, we combined single-cell and bulk RNA-sequencing, spatial transcriptomics, immunohistochemistry and micro-focus computed tomography to investigate key aspects of adrenal development in the first 20 weeks of gestation. We demonstrate rapid adrenal growth and vascularization, with cell division in the outer definitive zone (DZ). Steroidogenic pathways favor androgen synthesis in the central fetal zone (FZ), but DZ capacity to synthesize cortisol and aldosterone develops with time. Core transcriptional regulators were identified, with a role for HOPX in the DZ. Potential ligand- receptor interactions between mesenchyme and adrenal cortex were seen (e.g., RSPO3 / LGR4 ). Growth-promoting imprinted genes were enriched in the developing cortex (e.g. IGF2, PEG3 ). These findings reveal new aspects of human adrenal development, and have clinical implications for understanding primary adrenal insufficiency and related postnatal adrenal disorders, such as adrenal tumor development, steroid disorders and neonatal stress.