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.

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 Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

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.

Interleukin-2, which conveys essential signals for effective immunity and immunological tolerance, operates through a heterotrimeric receptor comprised of alpha, beta, and gamma chains. Genetic deficiency of the alpha or gamma chain causes debilitating disease. Here we identify human interleukin-2 receptor (IL-2R) beta chain (CD122) gene defects as a cause of life-threatening dysregulation of immunity and peripheral tolerance. We report homozygous mutations in the human IL-2Rbeta gene from four consanguineous families, comprising either recessive missense mutations in five children or an early stop-gain mutation in two deceased fetuses and a premature neonate. All patients surviving to childhood presented with autoantibodies, hypergammaglobulinemia, bowel inflammation, and dermatological abnormalities, as well as cytomegalovirus disease in most cases. Patient T lymphocytes lacked surface expression of IL-2Rbeta and were unable to normally respond to high-dose IL-2 stimulation. By contrast, patient natural killer (NK) cells retained partial IL-2Rbeta expression and cytotoxic function. IL-2Rbeta loss of function was recapitulated in a recombinant system, in which endoplasmic reticulum sequestration was revealed as the mechanism by which certain missense mutations cause disease. Hematopoietic stem cell transplant resulted in resolution of clinical symptoms in one patient. The hypomorphic nature of this disease highlights the significance of variable IL-2Rbeta expression in different lymphocyte subsets as a means of modulating immune function. Insights from these patients can inform the development of IL-2-based therapeutics for immunological diseases and cancer.