Definitive haematopoiesis in the fetal liver supports self-renewal and differentiation of haematopoietic stem cells and multipotent progenitors (HSC/MPPs) but remains poorly defined in humans. Here, using single-cell transcriptome profiling of approximately 140,000 liver and 74,000 skin, kidney and yolk sac cells, we identify the repertoire of human blood and immune cells during development. We infer differentiation trajectories from HSC/MPPs and evaluate the influence of the tissue microenvironment on blood and immune cell development. We reveal physiological erythropoiesis in fetal skin and the presence of mast cells, natural killer and innate lymphoid cell precursors in the yolk sac. We demonstrate a shift in the haemopoietic composition of fetal liver during gestation away from being predominantly erythroid, accompanied by a parallel change in differentiation potential of HSC/MPPs, which we functionally validate. Our integrated map of fetal liver haematopoiesis provides a blueprint for the study of paediatric blood and immune disorders, and a reference for harnessing the therapeutic potential of HSC/MPPs. Single-cell transcriptomic profiling of fetal liver, skin, kidney and yolk sac reveals the differentiation trajectories of human haematopoietic stem cells and multipotent progenitors, which are validated to produce an integrated map of fetal liver haematopoiesis.

Immune landscape of the human kidney Single-cell RNA sequencing has begun to shed light on the full cellular diversity of specific organs. However, these studies rarely examine organ-specific immune cells. Stewart et al. sequenced healthy adult and fetal kidney samples at a single-cell level to define the heterogeneity in epithelial, myeloid, and lymphoid cells. From this dataset, they identified zonation of cells, with relevance to disease and the varied perturbations that occur in different tumor settings. This profiling of the human kidney generates a comprehensive census of existing cell populations that will help inform the diagnosis and treatment of kidney-related diseases. Science , this issue p. 1461

Cellular beauty is skin deep Human skin works as barrier, preventing the entry of pathogens, among other functions. Reynolds et al. used single-cell sequencing to generate an atlas of the human skin from both developing and adult sources, identifying differences and similarities across heterogeneous populations of skin cells. In this atlas, gene expression in the two disease states studied—atopic dermatitis and psoriasis—varied from that in a healthy adult, suggesting that a fetal skin signature is expressed in adult inflamed skin. Furthermore, differences in immune cell composition between healthy fetal and adult skin and that of individuals suffering from disease were observed. Science , this issue p. eaba6500

Dendritic cells (DCs), monocytes, and macrophages are leukocytes with critical roles in immunity and tolerance. The DC network is evolutionarily conserved; the homologs of human tissue CD141hiXCR1+CLEC9A+ DCs and CD1c+ DCs are murine CD103+ DCs and CD64−CD11b+ DCs. In addition, human tissues also contain CD14+ cells, currently designated as DCs, with an as-yet unknown murine counterpart. Here we have demonstrated that human dermal CD14+ cells are a tissue-resident population of monocyte-derived macrophages with a short half-life of <6 days. The decline and reconstitution kinetics of human blood CD14+ monocytes and dermal CD14+ cells in vivo supported their precursor-progeny relationship. The murine homologs of human dermal CD14+ cells are CD11b+CD64+ monocyte-derived macrophages. Human and mouse monocytes and macrophages were defined by highly conserved gene transcripts, which were distinct from DCs. The demonstration of monocyte-derived macrophages in the steady state in human tissue supports a conserved organization of human and mouse mononuclear phagocyte system.

Mesenchymal stromal cells (MSCs) are potent regulators of immune responses largely through paracrine signaling. MSC secreted extracellular vesicles (MSC-EVs) are increasingly recognized as the key paracrine factors responsible for the biological and therapeutic function of MSCs. We report the first comprehensive study demonstrating the immunomodulatory effect of MSC-EVs on dendritic cell (DC) maturation and function. MSC-EVs were isolated from MSC conditioned media using differential ultracentrifugation. Human monocyte-derived DCs were generated in the absence or presence of MSC-EVs (20 ug/ml) then subjected to phenotypic and functional analysis in vitro. MSC-EV treatment impaired antigen uptake by immature DCs and halted DC maturation resulting in reduced expression of the maturation and activation markers CD83, CD38, and CD80, decreased secretion of pro-inflammatory cytokines IL-6 and IL-12p70 and increased production of anti-inflammatory cytokine TGF-β. MSC-EV treated DCs also demonstrated a diminished CCR 7 expression after LPS stimulation, coupled with a significantly reduced ability to migrate towards the CCR7-ligand CCL21, although they were still able to stimulate allogeneic T cell proliferation in vitro. Through microRNA profiling we have identified 49 microRNAs, which were significantly enriched in MSC-EVs compared to their parent MSCs. MicroRNAs with known effect on DC maturation and functions, including miR-21-5p, miR-142-3p, miR-223-3p and miR-126-3p, were detected within the top 10 most enriched miRNAs in MSC-EVs, with MiR-21-5p as the third highest expressed miRNA in MSC-EVs. In silico analysis revealed that miR-21-5p targets the CCR7 gene for degradation. To verify these observations, DCs were transfected with miR-21-5p mimics and analyzed for their ability to migrate towards the CCR7-ligand CCL21 in vitro. MiR-21-5p mimic transfected DCs showed a clear trend of reduced CCR7 expression and a significantly decreased migratory ability towards the CCL21. Our findings suggest that MSC-EVs are able to recapitulate MSC mediated DC modulation and MSC-EV enclosed microRNAs may represent a novel mechanism through which MSCs modulate DC functions. As MSCs are currently used in clinical trials to treat numerous diseases associated with immune dysregulation such as graft-versus-host disease and inflammatory bowel disease, our data provide novel evidence to inform potential future application of MSC-EVs as a cell-free therapeutic agent.

Abstract The human skin confers biophysical and immunological protection through a complex cellular network that is established early in development. We profiled ~500,000 single cells using RNA-sequencing from healthy adult and developing skin, and skin from patients with atopic dermatitis and psoriasis. Our findings reveal a predominance of innate lymphoid cells and macrophages in developing skin in contrast to T cells and migratory dendritic cells in adult skin. We demonstrate dual keratinocyte differentiation trajectories and activated cellular circuits comprising vascular endothelial cells mediating immune cell trafficking, disease-specific clonally expanded IL13/IL22 and IL17A/F -expressing lymphocytes, epidermal IL23 -expressing dendritic cells and inflammatory keratinocytes in disease. Our findings provide key insights into the dynamic cellular landscape of human skin in health and disease. One Sentence Summary Single cell atlas of human skin reveals cell circuits which are quantitatively and qualitatively reconfigured in inflammatory skin disease.

Summary Definitive haematopoiesis in the fetal liver supports self-renewal and differentiation of haematopoietic stem cells/multipotent progenitors (HSC/MPPs), yet remains poorly defined in humans. Using single cell transcriptome profiling of ~133,000 fetal liver and ~65,000 fetal skin and kidney cells, we identify the repertoire of blood and immune cells in first and early second trimesters of development. From this data, we infer differentiation trajectories from HSC/MPPs, and evaluate the impact of tissue microenvironment on blood and immune cell development. We predict coupling of mast cell differentiation with erythro-megakaryopoiesis and identify physiological erythropoiesis in fetal skin. We demonstrate a shift in fetal liver haematopoietic composition during gestation away from being erythroid-predominant, accompanied by a parallel change in HSC/MPP differentiation potential, which we functionally validate. Our integrated map of fetal liver haematopoiesis provides a blueprint for the study of paediatric blood and immune disorders, and a valuable reference for understanding and harnessing the therapeutic potential of HSC/MPPs.

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.

Abstract Myelopoiesis is invariably present, and contributes to pathology, in animal models of graft versus host disease (GVHD). In humans, a rich inflammatory infiltrate bearing macrophage markers has also been described in histological studies. In order to determine the origin, functional properties and role in pathogenesis of these cells, we isolated single cell suspensions from acute cutaneous GVHD and subjected them to genotype, transcriptome and in vitro functional analysis. A donor-derived population of CD11c+CD14+ cells was the dominant population of all leukocytes in GVHD. Surface phenotype and nanostring gene expression profiling indicated the closest steady-state counterpart of these cells to be monocyte-derived macrophages. In GVHD, however, there was upregulation of monocyte antigens SIRPα and S100A8/9, and transcripts associated with leukocyte trafficking, pattern recognition, antigen presentation, and co-stimulation. Isolated GVHD macrophages stimulated greater proliferation and activation of allogeneic T cells, and secreted higher levels of inflammatory cytokines than their steady-state counterparts. In HLA-matched mixed leukocyte reactions, we also observed differentiation of activated macrophages with a similar phenotype. These exhibited cytopathicity to a cell line and mediated pathological damage to skin explants, independently of T cells. Together, these results define the origin, functional properties and potential pathogenic roles of human GVHD macrophages.