During early human pregnancy the uterine mucosa transforms into the decidua, into which the fetal placenta implants and where placental trophoblast cells intermingle and communicate with maternal cells. Trophoblast–decidual interactions underlie common diseases of pregnancy, including pre-eclampsia and stillbirth. Here we profile the transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester placentas with matched maternal blood and decidual cells. The cellular composition of human decidua reveals subsets of perivascular and stromal cells that are located in distinct decidual layers. There are three major subsets of decidual natural killer cells that have distinctive immunomodulatory and chemokine profiles. We develop a repository of ligand–receptor complexes and a statistical tool to predict the cell-type specificity of cell–cell communication via these molecular interactions. Our data identify many regulatory interactions that prevent harmful innate or adaptive immune responses in this environment. Our single-cell atlas of the maternal–fetal interface reveals the cellular organization of the decidua and placenta, and the interactions that are critical for placentation and reproductive success. Transcriptomes of about 70,000 single cells from first-trimester deciduas and placentas reveal subsets of perivascular, stromal and natural killer cells in the decidua, with distinct immunomodulatory profiles that regulate the environment necessary for successful placentation.

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.

Abstract Remodeling of uterine spiral arteries is critical for the continuation of a successful pregnancy. Uterine natural killer (uNK) cells are the predominant leukocyte population in the early pregnant decidua, and a role for these cells in spiral artery remodeling in pregnancy has been suggested. Angiogenic growth factors were measured in isolated uNK and total (unseparated) decidual cells (8–10 or 12–14 weeks gestation, n=5 each gestational age) after culture for 48 h. Angiopoietin (Ang)1, placental growth factor, transforming growth factor-β1 (TGF-β1), and vascular endothelial growth factor (VEGF)-C were measured by enzyme-linked immunosorbent assay. Angiogenin, Ang2, fibroblast growth factor basic, intercellular adhesion molecule (ICAM)-1, keratinocyte growth factor (KGF), platelet-derived growth factor-BB, and VEGF-A were measured using a FASTQuant angiogenic growth factor multiplex protein assay. Levels of Ang2, ICAM-1, and KGF, secreted by the total decidual fraction, decreased with increasing gestational age. uNK levels of Ang2 and VEGF-C also decreased with increasing gestational age. At 8–10 weeks gestation, there was no difference in the level of Ang1, Ang2, TGF-β1, and VEGF-C secreted by uNK cells and the total decidual fraction. At 12–14 weeks, uNK cells secreted significantly lower levels of VEGF-C than the total decidual fraction. Early pregnancy decidua is a major source of angiogenic growth factors whose levels decrease with increasing gestational age, suggesting that they may play a role in spiral artery remodeling. uNK cells appear to be a prominent source of Ang1, Ang2, TGF-β1, and VEGF-C within the placental bed.

Uterine spiral artery remodeling is required for successful human pregnancy; impaired remodeling is associated with pregnancy complications, including late miscarriage, preeclampsia, and fetal growth restriction. The molecular triggers of remodeling are not known, but it is now clear that there are “trophoblast-independent” and “trophoblast-dependent” stages. Uterine natural killer (uNK) cells are abundant in decidualized endometrium in early pregnancy; they surround spiral arteries and secrete a range of angiogenic growth factors. We hypothesized that uNK cells mediate the initial stages of spiral artery remodeling. uNK cells and extravillous trophoblast (EVT) cells were isolated from early pregnancy decidua and placenta. Chorionic plate arteries from full-term placentas and spiral arteries from nonpregnant myometrium were cultured with angiogenic growth factors or conditioned medium (CM) from uNK cells or EVT or uNK cell/EVT cocultures. In both vessel models, uNK cell CM induced disruption of vascular smooth muscle cells (VSMCs) and breakdown of extracellular matrix components. Angiopoietin (Ang)-1, Ang-2, interferon-γ, and VEGF-C also disrupted VSMC integrity with an Ang-2 inhibitor abrogating the effect of uNK cell CM. These results provide compelling evidence that uNK cells contribute to the early stages of spiral artery remodeling; failure of this process could contribute to pregnancy pathology.—Robson, A., Harris, L. K., Innes, B. A., Lash, G. E., Aljunaidy, M. M., Aplin, J. D., Baker, P. N., Robson, S. C., Bulmer, J. N. Uterine natural killer cells initiate spiral artery remodeling in human pregnancy. FASEB J. 26, 4876–4885 (2012). www.fasebj.org

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.