The evolution of gene expression in mammalian organ development remains largely uncharacterized. Here we report the transcriptomes of seven organs (cerebrum, cerebellum, heart, kidney, liver, ovary and testis) across developmental time points from early organogenesis to adulthood for human, rhesus macaque, mouse, rat, rabbit, opossum and chicken. Comparisons of gene expression patterns identified correspondences of developmental stages across species, and differences in the timing of key events during the development of the gonads. We found that the breadth of gene expression and the extent of purifying selection gradually decrease during development, whereas the amount of positive selection and expression of new genes increase. We identified differences in the temporal trajectories of expression of individual genes across species, with brain tissues showing the smallest percentage of trajectory changes, and the liver and testis showing the largest. Our work provides a resource of developmental transcriptomes of seven organs across seven species, and comparative analyses that characterize the development and evolution of mammalian organs. The transcriptomes of seven major organs across developmental stages from several mammalian species are used for comparative analyses of gene expression and evolution across organ development.

Single-cell genomics studies have decoded the immune cell composition of several human prenatal organs but were limited in describing the developing immune system as a distributed network across tissues. We profiled nine prenatal tissues combining single-cell RNA sequencing, antigen-receptor sequencing, and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. This revealed the late acquisition of immune-effector functions by myeloid and lymphoid cell subsets and the maturation of monocytes and T cells before peripheral tissue seeding. Moreover, we uncovered system-wide blood and immune cell development beyond primary hematopoietic organs, characterized human prenatal B1 cells, and shed light on the origin of unconventional T cells. Our atlas provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine, and disease understanding.

Abstract Our understanding of how human skin cells differ according to anatomical site and tumour formation is limited. To address this we have created a multi-scale spatial atlas of healthy skin and basal cell carcinoma (BCC), incorporating in vivo optical coherence tomography, single cell RNA sequencing, spatial global transcriptional profiling and in situ sequencing. Computational spatial deconvolution and projection revealed the localisation of distinct cell populations to specific tissue contexts. Although cell populations were conserved between healthy anatomical sites and in BCC, mesenchymal cell populations including fibroblasts and pericytes retained signatures of developmental origin. Spatial profiling and in silico lineage tracing support a hair follicle origin for BCC and demonstrate that cancer-associated fibroblasts are an expansion of a POSTN + subpopulation associated with hair follicles in healthy skin. RGS5+ pericytes are also expanded in BCC suggesting a role in vascular remodelling. We propose that the identity of mesenchymal cell populations is regulated by signals emanating from adjacent structures and that these signals are repurposed to promote the expansion of skin cancer stroma. The resource we have created is publicly available in an interactive format for the research community. Significance statement Single cells RNA sequencing has revolutionised cell biology, enabling high resolution analysis of cell types and states within human tissues. Here, we report a comprehensive spatial atlas of adult human skin across different anatomical sites and basal cell carcinoma (BCC) - the most common form of skin cancer - encompassing in vivo optical coherence tomography, single cell RNA sequencing, global spatial transcriptomic profiling and in situ sequencing. In combination these modalities have allowed us to assemble a comprehensive nuclear-resolution atlas of cellular identity in health and disease.

Abstract The yolk sac (YS) represents an evolutionarily-conserved extraembryonic structure that ensures timely delivery of nutritional support and oxygen to the developing embryo. However, the YS remains ill-defined in humans. We therefore assemble a complete single cell 3D map of human YS from 3-8 post conception weeks by integrating multiomic protein and gene expression data. We reveal the YS as a site of primitive and definitive haematopoiesis including a YS-specific accelerated route to macrophage production, a source of nutritional/metabolic support and a regulator of oxygen-carrying capacity. We reconstruct the emergence of primitive haematopoietic stem and progenitor cells from YS hemogenic endothelium and their decline upon stromal support modulation as intraembryonic organs specialise to assume these functions. The YS therefore functions as ‘three organs in one’ revealing a multifaceted relay of vital organismal functions as pregnancy proceeds. One Sentence Summary Human yolk sac is a key staging post in a relay of vital organismal functions during human pregnancy.

Colonic disease causes significant morbidity and an accurate model of the human colon is urgently needed. Here we describe a 15-day protocol which simultaneously generates intestinal epithelial and mesenchymal cell populations from human induced pluripotent stem cells. Cells were seeded on collagen to create colonic patches (CoPs) and cultured in vitro. Single-cell sequencing of CoPs identified similar cell populations to those seen in normal colon. Engraftment of CoPs into mouse subcutis showed development of mucosa containing epithelial crypts (with enterocytes, goblet cells and neuroendocrine cells), multiple stromal populations, smooth muscle and human blood vessels anastomosed to murine vasculature. We also demonstrate the versatility of our in-vitro model in studies of fibrosis and epithelial-mesenchymal interaction. Stimulation of CoPs with different cytokines resulted in cytokine-specific fibrogenic activity. When iPSC-derived mesenchyme was isolated and co-cultured with different epithelial cancer cell lines, there was cell line-specific alteration of mesenchymal gene expression. As well as utility in disease modelling, the transplantability of CoPs raises their possible use as therapeutic autologous grafts for damaged colon.

Human prenatal skin is populated by innate immune cells including macrophages, and whether they act solely in immunity or have additional functions in morphogenesis is unclear. We assembled the first comprehensive multi-omic reference atlas of prenatal human skin (7-16 post-conception weeks), combining single cell and spatial transcriptomic data, to characterise the skin9s microenvironmental cellular organisation. This revealed that crosstalk between non-immune and immune cells underpins formation of hair follicles, has implications for scarless wound healing, and is critical for skin angiogenesis. We benchmarked a skin organoid model, derived from human embryonic stem (ES) and induced pluripotent stem (iPS) cells, against prenatal and adult skin, demonstrating close recapitulation of the epidermal and dermal skin components during hair follicle development. Notably, the skin organoid lacked immune cells and had markedly diminished endothelial cell heterogeneity and quantity. From our in vivo skin cell atlas data, we found that macrophages and macrophage-derived growth factors play a key role in driving endothelial development prenatally. Indeed, vascular network formation was enhanced following transfer of autologous iPS-derived macrophages into both endothelial cell angiogenesis assays and skin organoid cultures. In summary, innate immune cells moonlight as key players in skin morphogenesis beyond their conventional immune roles, a function they achieve via extensive crosstalk with non-immune cells. Finally, we leveraged our human prenatal skin cell atlas to further our understanding of the pathogenesis of genetic hair and skin disorders.

The avian bacterial pathogen Mycoplasma gallisepticum is a good model for transcriptional regulation studies due to its small genome and relative simplicity. In this study, we used RNA-Seq experiments combined with MS-based proteomics to accurately map coding sequences (CDSs), transcription start sites (TSSs) and transcription terminators (TTs) and to decipher their roles in stress-induced transcriptional responses. We identified 1061 TSSs at an FDR (false discovery rate) of 10% and showed that almost all transcription in M. gallisepticum is initiated from classic TATAAT promoters, which are surrounded by A/T-rich sequences and rarely accompanied by a -35 element. Our analysis revealed the pronounced complexity of the operon structure: on average, each coding operon has one internal TSS and TT in addition to the primary ones. Our new transcriptomic approach based on the intervals between the two closest transcription initiators and/or terminators allowed us to identify two classes of TTs: strong, unregulated and hairpin-containing TTs and weak, heat shock-regulated and hairpinless TTs. Comparing the gene expression levels under different conditions (such as heat, osmotic and peroxide stresses) revealed widespread and divergent transcription regulation in M. gallisepticum. Modeling suggested that the structure of the core promoter plays a major role in gene expression regulation. We have shown that the heat stress activation of cryptic promoters combined with the suppression of hairpinless TTs leads to widespread, seemingly non-functional transcription.

Abstract Bone and joint formation in the developing skeleton rely on co-ordinated differentiation of progenitors in the nascent developing limbs and joints. The cell states, epigenetic processes and key regulatory factors underlying their lineage commitment to osteogenic and other mesenchymal populations during ossification and joint formation remain poorly understood and are largely unexplored in human studies. Here, we apply paired single-nuclei transcriptional and epigenetic profiling of 336,000 droplets, in addition to spatial transcriptomics, to construct a comprehensive atlas of human bone, cartilage and joint development in the shoulder, hip, knee and cranium from 5 to 11 post-conception weeks. Spatial mapping of cell clusters to our highly multiplexed in situ sequencing (ISS) data using our newly developed tool ISS-Patcher revealed new cellular mechanisms of zonation during bone and joint formation. Combined modelling of chromatin accessibility and RNA expression allowed the identification of the transcriptional and epigenetic regulatory landscapes that drive differentiation of mesenchymal lineages including osteogenic and chondrogenic lineages, and novel chondrocyte cell states. In particular, we define regionally distinct limb and cranial osteoprogenitor populations and trajectories across the fetal skeleton and characterise differential regulatory networks that govern intramembranous and endochondral ossification. We also introduce SNP2Cell, a tool to link cell-type specific regulatory networks to numerous polygenic traits such as osteoarthritis. We also conduct in silico perturbations of genes that cause monogenic craniosynostosis and implicate potential pathogenic cell states and disease mechanisms involved. This work forms a detailed and dynamic regulatory atlas of human fetal skeletal maturation and advances our fundamental understanding of cell fate determination in human skeletal development.

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.

Identification of gene expression traits unique to the human brain sheds light on the mechanisms of human cognition. Here we searched for gene expression traits separating humans from other primates by analyzing 88,047 cell nuclei and 422 tissue samples representing 33 brain regions of humans, chimpanzees, bonobos, and macaques. We show that gene expression evolves rapidly within cell types, with more than two-thirds of cell type-specific differences not detected using conventional RNA sequencing of tissue samples. Neurons tend to evolve faster in all hominids, but non-neuronal cell types, such as astrocytes and oligodendrocyte progenitors, show more differences on the human lineage, including alterations of spatial distribution across neocortical layers.