Post-implantation embryogenesis is a highly dynamic process comprising multiple lineage decisions and morphogenetic changes that are inaccessible to deep analysis in vivo. We found that pluripotent mouse embryonic stem cells (mESCs) form aggregates that upon embedding in an extracellular matrix compound induce the formation of highly organized "trunk-like structures" (TLSs) comprising the neural tube and somites. Comparative single-cell RNA sequencing analysis confirmed that this process is highly analogous to mouse development and follows the same stepwise gene-regulatory program. Tbx6 knockout TLSs developed additional neural tubes mirroring the embryonic mutant phenotype, and chemical modulation could induce excess somite formation. TLSs thus reveal an advanced level of self-organization and provide a powerful platform for investigating post-implantation embryogenesis in a dish.

Abstract Post-implantation embryogenesis is a highly dynamic process comprising multiple lineage decisions and morphogenetic changes inaccessible to deep analysis in vivo . Mouse embryonic stem cells (mESCs) can form aggregates reflecting the post-occipital embryo ( gastruloids ), but lacking proper morphogenesis. Here we show that embedding of aggregates derived from mESCs in an extracellular matrix compound results in Trunk-Like-Structures (TLS) with a high level of organization comprising a neural tube and somites. Comparative single-cell RNA-seq analysis demonstrates that TLS execute gene-regulatory programs in an embryo-like order, and generate primordial germ cell like cells (PGCLCs). TLS lacking Tbx6 form ectopic neural tubes, mirroring the embryonic mutant phenotype. ESC-derived trunk-like structures thus constitute a novel powerful in vitro platform for investigating lineage decisions and morphogenetic processes shaping the post-implantation embryo. One sentence summary A platform for generating trunk-like-structures with precursors of spinal cord, bone and muscle from stem cells in a dish

Abstract The node and notochord are important signaling centers organizing dorso-ventral patterning of cells arising from neuro-mesodermal progenitors forming the embryonic body anlage. Due to the scarcity of notochordal progenitors and notochord cells, a comprehensive identification of regulatory elements driving notochord-specific gene expression has been lacking. Here we have used ATAC-seq analysis of FACS-purified notochordal cells from TS12-13 mouse embryos to identify 8921 putative notochord enhancers. In addition, we established a new model for generating notochordal cells in culture, and found 3728 of these enhancers occupied by the essential notochordal regulators Brachyury (T) and/or Foxa2. We describe the regulatory landscape of the T locus comprising 10 putative enhancers occupied by these factors and confirmed the regulatory activity of 3 of these elements. Moreover, we characterized one new notochord enhancer, termed TNE2 , in embryos. TNE2 complements the loss of TNE in the trunk notochord, and is essential for notochordal cell proliferation and differentiation in the tail. Our data demonstrate the essential role of Foxa2 in switching T expressing cells from a NMP/mesodermal trajectory to the notochordal fate. Summary statement Combining multi-omics assays of purified embryonic and in vitro generated cells we identified thousands of notochord enhancers comprising TNE2 essential for T expression and tail development of the mouse embryo.