Naive pluripotency is manifest in the preimplantation mammalian embryo. Here we determine transcriptome dynamics of mouse development from the eight-cell stage to postimplantation using lineage-specific RNA sequencing. This method combines high sensitivity and reporter-based fate assignment to acquire the full spectrum of gene expression from discrete embryonic cell types. We define expression modules indicative of developmental state and temporal regulatory patterns marking the establishment and dissolution of naive pluripotency in vivo. Analysis of embryonic stem cells and diapaused embryos reveals near-complete conservation of the core transcriptional circuitry operative in the preimplantation epiblast. Comparison to inner cell masses of marmoset primate blastocysts identifies a similar complement of pluripotency factors but use of alternative signaling pathways. Embryo culture experiments further indicate that marmoset embryos utilize WNT signaling during early lineage segregation, unlike rodents. These findings support a conserved transcription factor foundation for naive pluripotency while revealing species-specific regulatory features of lineage segregation.

The mouse embryo is the canonical model for mammalian preimplantation development. Recent advances in single cell profiling allow detailed analysis of embryogenesis in other eutherian species, including human, to distinguish conserved from divergent regulatory programs and signalling pathways in the rodent paradigm. Here, we identify and compare transcriptional features of human, marmoset and mouse embryos by single cell RNA-seq. Zygotic genome activation correlates with the presence of polycomb repressive complexes in all three species, while ribosome biogenesis emerges as a predominant attribute in primate embryos, supporting prolonged translation of maternally deposited RNAs. We find that transposable element expression signatures are species, stage and lineage specific. The pluripotency network in the primate epiblast lacks certain regulators that are operative in mouse, but encompasses WNT components and genes associated with trophoblast specification. Sequential activation of GATA6, SOX17 and GATA4 markers of primitive endoderm identity is conserved in primates. Unexpectedly, OTX2 is also associated with primitive endoderm specification in human and non-human primate blastocysts. Our cross-species analysis demarcates both conserved and primate-specific features of preimplantation development, and underscores the molecular adaptability of early mammalian embryogenesis.

Gastrulation controls the emergence of cellular diversity and axis patterning in the early embryo. In mammals, this transformation is orchestrated by dynamic signalling centres at the interface of embryonic and extraembryonic tissues1–3. Elucidating the molecular framework of axis formation in vivo is fundamental for our understanding of human development4–6 and to advance stem-cell-based regenerative approaches7. Here we illuminate early gastrulation of marmoset embryos in utero using spatial transcriptomics and stem-cell-based embryo models. Gaussian process regression-based 3D transcriptomes delineate the emergence of the anterior visceral endoderm, which is hallmarked by conserved (HHEX, LEFTY2, LHX1) and primate-specific (POSTN, SDC4, FZD5) factors. WNT signalling spatially coordinates the formation of the primitive streak in the embryonic disc and is counteracted by SFRP1 and SFRP2 to sustain pluripotency in the anterior domain. Amnion specification occurs at the boundaries of the embryonic disc through ID1, ID2 and ID3 in response to BMP signalling, providing a developmental rationale for amnion differentiation of primate pluripotent stem cells (PSCs). Spatial identity mapping demonstrates that primed marmoset PSCs exhibit the highest similarity to the anterior embryonic disc, whereas naive PSCs resemble the preimplantation epiblast. Our 3D transcriptome models reveal the molecular code of lineage specification in the primate embryo and provide an in vivo reference to decipher human development. 3D transcriptomes reveal the molecular code of lineage specification in the primate embryo and provide an in vivo reference to decipher human development.

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.

Abstract Background Although functional MRI (fMRI) in awake marmosets ( Callithrix jacchus ) is fascinating for functional brain mapping and evaluation of brain disease models, it is difficult to launch awake fMRI on scanners with less than 15 cm of bore size. A universal marmoset holder for the small-bore size MRI was designed, and evaluated whether this holder could conduct auditory stimulation fMRI in the awake state. New Method The marmoset holder was designed with an outer diameter of 71.9 mm. A holder was designed to allow adjustment according to the individual head shape, enabling to use the holder universally. An awake fMRI study of auditory response was conducted to evaluate the practicality of the new holder. Whole-brain activation was investigated when marmosets heard the marmoset social communication “phee call,” an artificial tone sound, music (bossa nova), and reversed of those. Results The prefrontal cortex was significantly activated in response to phee calls, whereas only the auditory cortex was activated in response to pure tones. In response to bossa nova, the marmoset’s visual and auditory cortices were activated. In contrast, the auditory response was decreased when marmosets heard phee calls and bossa nova music played backward. Their stimulus-specific responses indicated they perceived and differentiated sound characteristics in the fMRI environment. Comparison with Existing Methods A holder does not require surgical intervention or custom-made helmet to minimize head movement in small space. Conclusion Our newly developed holder made it possible to perform longitudinal fMRI experiments on multiple marmosets in a less invasive manner. Highlight We designed a universal marmoset holder for the optimization of small-bore size MRI. We aimed to evaluate whether the data acquired by fMRI with this holder indicated that awake marmosets were likely to recognize sounds during fMRI and whether the brain activity shown as fMRI signals reflected the characteristics of each sound. After the acclimatization of the marmosets to the holder, an awake fMRI study was conducted to evaluate the practicality of the new holder and successfully acquired the auditory responses to the set of sound stimuli. Our newly developed holder does not require surgical intervention to minimize head movement, which allows for less invasive fMRI experiments and makes it easier to conduct longitudinal fMRI for multiple marmosets.

Summary Alzheimer’s disease (AD) is a major cause of dementia, with the number of patients with this condition anticipated to exceed 50 million worldwide in the near future. Despite extensive research efforts, no effective measures are available to facilitate the prevention or treatment of AD, which is due in part to a lack of animal models able to closely replicate a human-like disease state. Here, we describe the generation of three mutant marmoset individuals in which exon 9 of PSEN1 gene product has been deleted ( PSEN1 -ΔE9). Such ΔE9 mutations have been reported to cause early on-set familial AD (references 1–5 ). We used Transcription Activator-Like Effector Nuclease (TALEN) to destroy the 3’ splice site of exon 9 in the marmoset PSEN1 gene. To this end, TALEN exhibits high genome-editing efficacy, generates few off-target effects, and produces minimal mosaicism. Indeed, whole genome sequencing and other analyses illustrated an absence of off-target effects and an apparent absence of mosaicism. Fibroblasts obtained from newborn marmosets exhibited uncleaved full-length presenilin 1 protein (PS1) caused by the perturbation of PS1 endoproteolysis as well as an increased ratio of Aβ 42 /Aβ 40 production, a signature of familial AD pathogenesis. To our knowledge, this is the first non-human primate model of familial AD. We intend to make our marmoset model available to the research community to facilitate the global fight against AD.

Abstract Assessment of social interactions and behavioral changes in nonhuman primates is useful for understanding brain function changes during life events and pathogenesis of neurological diseases. The common marmoset ( Callithrix jacchus ), that lives in a nuclear family like humans, is a useful model, but long-term automated behavioral observation of multiple animals has not been achieved. Here, we developed a Ful l M onitoring and A nimal Identification (FulMAI) system for long-term detection of three-dimensional (3D) trajectories of each individual in multiple marmosets under free-moving conditions by combining video tracking, Light Detection And Ranging, and deep learning. Using this system, identification of each animal was more than 97% accurate. Location preferences and inter-individual distance could be calculated, and deep learning could detect grooming behavior. The FulMAI system allows us to analyze the natural behavior of individuals in a family over their lifetime and understand how behavior changes due to life events together with other data.