Chimeric antigen receptor (CAR)-modified T cells targeting CD19 demonstrate unparalleled responses in relapsed/refractory acute lymphoblastic leukemia (ALL)1-5, but toxicity, including cytokine-release syndrome (CRS) and neurotoxicity, limits broader application. Moreover, 40-60% of patients relapse owing to poor CAR T cell persistence or emergence of CD19- clones. Some factors, including the choice of single-chain spacer6 and extracellular7 and costimulatory domains8, have a profound effect on CAR T cell function and persistence. However, little is known about the impact of CAR binding affinity. There is evidence of a ceiling above which increased immunoreceptor affinity may adversely affect T cell responses9-11. We generated a novel CD19 CAR (CAT) with a lower affinity than FMC63, the high-affinity binder used in many clinical studies1-4. CAT CAR T cells showed increased proliferation and cytotoxicity in vitro and had enhanced proliferative and in vivo antitumor activity compared with FMC63 CAR T cells. In a clinical study (CARPALL, NCT02443831 ), 12/14 patients with relapsed/refractory pediatric B cell acute lymphoblastic leukemia treated with CAT CAR T cells achieved molecular remission. Persistence was demonstrated in 11 of 14 patients at last follow-up, with enhanced CAR T cell expansion compared with published data. Toxicity was low, with no severe CRS. One-year overall and event-free survival were 63% and 46%, respectively.

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).

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 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.

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.