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.

Embryonic development requires the accurate spatiotemporal execution of cell lineage-specific gene expression programs, which are controlled by transcriptional enhancers. Developmental enhancers adopt a primed chromatin state prior to their activation; however, how this primed enhancer state is established, maintained, and how it affects the regulation of developmental gene networks remains poorly understood. Here, we use comparative multi-omic analyses of human and mouse early embryonic development to identify subsets of post-gastrulation lineage-specific enhancers which are epigenetically primed ahead of their activation, marked by the histone modification H3K4me1 within the epiblast. We show that epigenetic priming occurs at lineage-specific enhancers for all three germ layers, and that epigenetic priming of enhancers confers lineage-specific regulation of key developmental gene networks. Surprisingly in some cases, lineage-specific enhancers are epigenetically marked already in the zygote, weeks before their activation during lineage specification. Moreover, we outline a generalisable strategy to use naturally occurring human genetic variation to delineate important sequence determinants of primed enhancer function. Our findings identify an evolutionarily conserved program of enhancer priming and begin to dissect the temporal dynamics and mechanisms of its establishment and maintenance during early mammalian development.