The blastocyst (the early mammalian embryo) forms all embryonic and extra-embryonic tissues, including the placenta. It consists of a spherical thin-walled layer, known as the trophectoderm, that surrounds a fluid-filled cavity sheltering the embryonic cells1. From mouse blastocysts, it is possible to derive both trophoblast2 and embryonic stem-cell lines3, which are in vitro analogues of the trophectoderm and embryonic compartments, respectively. Here we report that trophoblast and embryonic stem cells cooperate in vitro to form structures that morphologically and transcriptionally resemble embryonic day 3.5 blastocysts, termed blastoids. Like blastocysts, blastoids form from inductive signals that originate from the inner embryonic cells and drive the development of the outer trophectoderm. The nature and function of these signals have been largely unexplored. Genetically and physically uncoupling the embryonic and trophectoderm compartments, along with single-cell transcriptomics, reveals the extensive inventory of embryonic inductions. We specifically show that the embryonic cells maintain trophoblast proliferation and self-renewal, while fine-tuning trophoblast epithelial morphogenesis in part via a BMP4/Nodal–KLF6 axis. Although blastoids do not support the development of bona fide embryos, we demonstrate that embryonic inductions are crucial to form a trophectoderm state that robustly implants and triggers decidualization in utero. Thus, at this stage, the nascent embryo fuels trophectoderm development and implantation. Trophoblast and embryonic stem cells interact in vitro to form structures that resemble early blastocysts, and the embryo provides signals that drive early trophectoderm development and implantation.

Abstract The early mammalian conceptus (blastocyst) contains two supporting extraembryonic tissues - the trophectoderm and the primitive endoderm (PrE) - that encase and guide the epiblast (Epi) to eventually form the all body. Modifications of the conceptus exposed key genes regulating these tissues co-development. However, the combinations of signalling pathways underlying the interplay of PrE and Epi remains elusive. Stem cell-based models including embryoid bodies and blastoids can be generated in large numbers and subjected to high-content screens. Here, we use combinatorial screens of proteins, GPCR ligands and small molecules to rapidly (72 hours) and efficiently (80%) guide embryoid bodies to form a three-dimensional PrE-/Epiblast-like niche in chemically-defined conditions (gel-free, serum-free). This bipotent niche spontaneously progresses, without growth factors, to form a pro-amniotic cavity surrounded by a polarized Epi covered with parietal and visceral endoderm-like cells. In blastoids, these molecules enhance the ratio and number of Gata6+/Nanog+ cells and promote the survival, expansion and morphogenesis of a post-implantation-like Epi in vitro . Altogether, modelling early development in chemically-defined conditions delineates the pathways sufficient to form a functional PrE/Epiblast niche that fuels post-implantation development.

SUMMARY Many mammals can control the timing of gestation and birth by pausing embryonic development at the blastocyst stage. It is unknown whether the capacity to pause development is conserved, in general across mammals, and more specifically in humans. Activity of the growth regulating mTOR pathway governs developmental pausing in the mouse ( 1 ). Here we show a stage-specific capacity to delay the progression of human development via mTOR inhibition. In this context, human blastoids and pluripotent stem cells in naïve and naïve-like, but not primed, states can be induced to enter a dormant state, which is reversible at the functional and molecular level. Comparative analysis of mouse and human naïve cells’ longitudinal response to mTORi revealed distinct temporal dynamics and metabolic requirements of dormancy in each species. Mouse and human blastocysts show similar tissue-specific patterns of mTOR pathway activity, suggesting that the mTOR pathway may be a conserved regulator of blastocyst development and timing in both species. Our results raise the possibility that the developmental timing of the human embryo may be controllable, with implications for reproductive therapies.

Recently, several studies using cultures of human embryos together with single-cell RNA-seq analyses have revealed differences between humans and mice, necessitating the study of human embryos1-8. Despite the importance of human embryology, ethical and legal restrictions have limited post-implantation-stage studies. Thus, recent efforts have focused on developing in vitro self-organizing models using human stem cells9-17. Here, we report genetic and non-genetic approaches to generate authentic hypoblast cells (naive hPSC-derived hypoblast-like cells (nHyCs))-known to give rise to one of the two extraembryonic tissues essential for embryonic development-from naive human pluripotent stem cells (hPSCs). Our nHyCs spontaneously assemble with naive hPSCs to form a three-dimensional bilaminar structure (bilaminoids) with a pro-amniotic-like cavity. In the presence of additional naive hPSC-derived analogues of the second extraembryonic tissue, the trophectoderm, the efficiency of bilaminoid formation increases from 20% to 40%, and the epiblast within the bilaminoids continues to develop in response to trophectoderm-secreted IL-6. Furthermore, we show that bilaminoids robustly recapitulate the patterning of the anterior-posterior axis and the formation of cells reflecting the pregastrula stage, the emergence of which can be shaped by genetically manipulating the DKK1/OTX2 hypoblast-like domain. We have therefore successfully modelled and identified the mechanisms by which the two extraembryonic tissues efficiently guide the stage-specific growth and progression of the epiblast as it establishes the post-implantation landmarks of human embryogenesis.

SUMMARY Human trophoblast stem cells (hTSC) derived from blastocysts and first-trimester cytotrophoblasts offer an unprecedented opportunity to study the human placenta. However, access to human embryos and first trimester placentas is limited thus preventing the establishment of hTSC from a variety of genetic backgrounds associated with placental disorders. In the present study, we show that hTSC can be generated from numerous genetic backgrounds using post-natal cells via two alternative methods: (I) somatic cell reprogramming of adult fibroblasts using the Yamanaka factors, and (II) cell fate conversion of naive and extended pluripotent stem cells. The resulted induced and converted hTSC (hiTSC/hcTSC) recapitulated hallmarks of hTSC including long-term self-renewal, expression of specific transcription factors, transcriptome-side signature, and the potential to differentiate into syncytiotrophoblast and extravillous trophoblast cells. We also clarified the developmental stage of hTSC and show that these cells resemble post-implantation NR2F2+ cytotrophoblasts (day 8-10). Altogether, hTSC lines of diverse genetics origins open the possibility to model both placental development and diseases in a dish. Highlights Reprogramming of human somatic cells to induced hTSC with OSKM Conversion of naive and extended hPSC to hTSC Genetic diversity of hTSC lines Developmental matching of hTSC in the peri-implantation human embryo

Abstract Naïve pluripotency is sustained by a self-reinforcing gene regulatory network (GRN) comprising core and naïve pluripotency-specific transcription factors (TFs). Upon exiting naïve pluripotency, embryonic stem cells (ESCs) transition through a formative post-implantation-like pluripotent state, where they acquire competence for lineage choice. However, the mechanisms underlying disengagement from the naïve GRN and initiation of the formative GRN are unclear. Here, we demonstrate that phosphorylated AKT acts as a gatekeeper that prevents nuclear localisation of FoxO TFs in naïve ESCs. PTEN-mediated reduction of AKT activity upon exit from naïve pluripotency allows nuclear entry of FoxO TFs, enforcing a cell fate transition by binding and activating formative pluripotency-specific enhancers. Indeed, FoxO TFs are necessary and sufficient for the activation of the formative pluripotency-specific GRN. Our work uncovers a pivotal role for FoxO TFs in establishing formative post-implantation pluripotency, a critical early embryonic cell fate transition.

Naive pluripotency is sustained by a self-reinforcing gene regulatory network (GRN) comprising core and naive pluripotency-specific transcription factors (TFs). Upon exiting naive pluripotency, ES cells transition through a formative post-implantation-like pluripotent state, where they acquire competence for lineage-choice. However, the mechanisms underlying disengagement from the naive GRN and initiation of the formative GRN are unclear. Here, we demonstrate that phosphorylated AKT acts as a gatekeeper that prevents nuclear localization of FoxO TFs in naive ESCs. PTEN-mediated reduction of AKT activity upon exit from naive pluripotency allows nuclear entry of FoxO TFs, enforcing a cell fate transition by binding and activating formative pluripotency-specific enhancers. Indeed, FoxO TFs are necessary and sufficient for transition from the naive to the formative pluripotent state. Our work uncovers a pivotal role for FoxO TFs and AKT signalling in mechanisms establishing formative post-implantation pluripotency, a critical early embryonic cell fate transition.

Lineage reconstruction is central to understanding tissue development and maintenance. While powerful tools to infer cellular relationships have been developed, these methods typically have a clonal resolution that prevent the reconstruction of lineage trees at an individual cell division resolution. Moreover, these methods require a transgene, which poses a significant barrier in the study of human tissues. To overcome these limitations, we report scPECLR, a probabilistic algorithm to endogenously infer lineage trees at a single cell-division resolution using 5-hydroxymethylcytosine. When applied to 8-cell preimplantation mouse embryos, scPECLR predicts the full lineage tree with greater than 95% accuracy. Further, scPECLR can accurately extract lineage information for a majority of cells when reconstructing larger trees. Finally, we show that scPECLR can also be used to map chromosome strand segregation patterns during cell division, thereby providing a strategy to test the 'immortal strand' hypothesis in stem cell biology. Thus, scPECLR provides a generalized method to endogenously reconstruct lineage trees at an individual cell-division resolution.

The early mammalian conceptus (blastocyst) comprises an outer trophoblast globe that forms an axis originating from the inner embryonic cells. From the mouse conceptus, Trophoblast stem cells (TSCs) are derived, which are in vitro analogues of early trophoblasts. Here, we show that TSCs contain plastic subpopulations reflecting developmental states ranging from pre- to post-implantation trophoblasts. However, upon exposure to a specific combination of embryonic inductive signals, TSCs globally acquire properties of pre-implantation polar trophoblasts (gene expression, self-renewal) juxtaposing the inner embryonic cells, and an enhanced, homogeneous epithelial phenotype. These lines of polar-like TSCs (pTSCs) represent a transcriptionally earlier state that more efficiently forms blastoids, whose inner embryonic cells then induce the patterning of gene expression along the embryonic-abembryonic axis. Altogether, delineating the requirements and properties of polar trophoblasts and blastocyst axis formation in vitro provides a foundation for the precise description and dissection of early development.

During germ cell development, cells undergo a drastic switch from mitosis to meiosis to form haploid germ cells. Sequencing and computational technologies now allow studying development at the single-cell level. Here we developed a multiplexed trajectory reconstruction to create a high-resolution developmental map of spermatogonia and prophase-I spermatocytes from testes of a Dazl-GFP reporter mouse. We identified three main transitions in the meiotic prophase-I: meiotic entry, the meiotic sex chromosome inactivation (MSCI), and concomitant pachytene activation. We validated the key features of these transitions in vivo using single molecule FISH. Focusing on MSCI, we found that 34% of sex chromosomal genes are induced shortly before MSCI, that silencing time is diverse and correlates with specific gene functions. These highlight a previously underappreciated level of regulation of MSCI. Finally, we found that spermatozoal genes in pachytene are activated in a temporal pattern reflecting the future anatomic and functional order of the sperm cell. Altogether we highlighted how precise and sequential changes in gene expression regulate cellular states in meiotic prophase-I.