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.

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.

Cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) is a potentially fatal clonal malignancy of T cells primarily affecting the skin. The most common form of CTCL, mycosis fungoides (MF), can be difficult to diagnose resulting in treatment delay. The pathogenesis of CTCL is not fully understood due to limited data from patient studies. We performed single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics profiling of skin from patients with MF-type CTCL, and an integrated comparative analysis with human skin cell atlas datasets from healthy skin, atopic dermatitis and psoriasis. We reveal the co-optation of Th2-immune gene programmes by malignant CTCL cells and modelling of the tumour microenvironment to support their survival. We identify MHC-II+ fibroblast subsets reminiscent of lymph node T-zone reticular cells and monocyte-derived dendritic cells that can maintain Th2-like tumour cells. CTCL Th2-like tumour cells are spatially associated with B cells, forming aggregates reminiscent of tertiary lymphoid structures which are more prominent with progressive disease. Finally, we validated the enrichment of B cells in CTCL skin infiltrates and its association with disease progression across three independent patient cohorts. Our findings provide diagnostic aids, potential biomarkers for disease staging and therapeutic strategies for CTCL.