Mechanisms underlying human germ cell development are unclear, partly due to difficulties in studying human embryos and lack of suitable experimental systems. Here, we show that human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) differentiate into incipient mesoderm-like cells (iMeLCs), which robustly generate human primordial germ cell-like cells (hPGCLCs) that can be purified using the surface markers EpCAM and INTEGRINα6. The transcriptomes of hPGCLCs and primordial germ cells (PGCs) isolated from non-human primates are similar, and although specification of hPGCLCs and mouse PGCs rely on similar signaling pathways, hPGCLC specification transcriptionally activates germline fate without transiently inducing eminent somatic programs. This includes genes important for naive pluripotency and repression of key epigenetic modifiers, concomitant with epigenetic reprogramming. Accordingly, BLIMP1, which represses somatic programs in mice, activates and stabilizes a germline transcriptional circuit and represses a default neuronal differentiation program. Together, these findings provide a foundation for understanding and reconstituting human germ cell development in vitro.

Abstract How living systems achieve precision in form and function despite their intrinsic stochasticity is a fundamental yet open question in biology. Here, we establish a quantitative morphomap of pre-implantation embryogenesis in mouse, rabbit and monkey embryos, which reveals that although blastomere divisions desynchronise passively without compensation, 8-cell embryos still display robust 3D structure. Using topological analysis and genetic perturbations in mouse, we show that embryos progressively change their cellular connectivity to a preferred topology, which can be predicted by a simple physical model where noise and actomyosin-driven compaction facilitate topological transitions lowering surface energy. This favours the most compact embryo packing at the 8- and 16-cell stage, thus promoting higher number of inner cells. Impairing mitotic desynchronisation reduces embryo packing compactness and generates significantly more cell mis-allocation and a lower proportion of inner-cell-mass-fated cells, suggesting that stochasticity in division timing contributes to achieving robust patterning and morphogenesis.

ABSTRACT Development of the adrenal cortex, a vital endocrine organ, originates in the adrenogonadal primordium, a common progenitor for both the adrenocortical and gonadal lineages in rodents. In contrast, we find that in humans and cynomolgus monkeys, the adrenocortical lineage originates in a temporally and spatially distinct fashion from the gonadal lineage, arising earlier and more anteriorly within the coelomic epithelium. The adrenal primordium arises from adrenogenic coelomic epithelium via an epithelial-to- mesenchymal-like transition, which then progresses into the steroidogenic fetal zone via both direct and indirect routes. Notably, we find that adrenocortical and gonadal lineages exhibit distinct HOX codes, suggesting distinct anterior-posterior regionalization. Together, our assessment of the early divergence of these lineages provides a molecular framework for understanding human adrenal and gonadal disorders. One Sentence Summary Specification of the adrenal cortex occurs in adrenogenic coelomic epithelium independent of gonadogenesis in humans and cynomolgus monkeys

Abstract Trophoblast are extra-embryonic cells that are essential to maintain pregnancy. Human trophoblasts arise from the morula as trophectoderm (TE), which, after implantation, differentiates into cytotrophoblast (CT), syncytiotrophoblast (ST), and extravillous trophoblast (EVT) composing the placenta. Here we show that naïve, but not primed, human pluripotent stem cells (PSCs) recapitulate trophoblast development. Naïve PSC-derived TE and CT (nCT) recreated the human and monkey TE-to-CT transition. nCT self-renewed as CT stem cells and had the characteristics of proliferating villous CT and CT in the cell column of the first trimester. Notably, although primed PSCs differentiated into trophoblast-like cells (pBAP), pBAP were distinct from nCT and human placenta-derived CT stem cells, exhibiting properties consistent of the amnion. Our findings establish an authentic paradigm for human trophoblast development, demonstrating the invaluable properties of naïve human PSCs. Our system will provide a platform to study the molecular mechanisms underlying trophoblast development and related diseases.

ABSTRACT Tissue patterning coordinates morphogenesis, cell dynamics and fate specification. Understanding how these processes are coupled to achieve precision despite their inherent variability remains a challenge. Here, we investigate how salt-and-pepper epiblast and primitive endoderm (PrE) cells sort and robustly pattern the inner cell mass (ICM) of mammalian blastocysts. Quantifying cellular dynamics and mechanics together with simulations show a key role for the autonomously acquired apical polarity of mouse PrE cells in coupling cell fate and dynamics in tissue contexts. Specifically, apical polarity forms actin protrusions and is required for Rac1-dependent migration towards the ICM surface, where PrE cells are trapped due to decreased tension at their apical domain, while depositing an extracellular matrix gradient, breaking the tissue-level symmetry and collectively guiding their own migration. Tissue size perturbations and comparison with monkey blastocysts further demonstrate that the fixed proportion of PrE/epiblast cells is optimal and robust to variability in embryo size.

Self-renewal and differentiation are inherent properties of hematopoietic stem cells (HSCs) that are necessary to support hematopoiesis; however, the underlying mechanisms, especially in human, remain unclear. Here, using the cynomolgus macaque as a surrogate model, we develop a new gating strategy to isolate with high purity transplantable cynomolgus HSCs and generated a single-cell transcriptomic map of cynomolgus HSCs and progenitor cells - that covering gestational periods previously not analyzed in human. We show that hematopoietic cells from the late-1st to early-3rd trimester fetal liver and late-2nd trimester and thereafter bone marrow have repopulating potential, closely mimicking humans. Unexpectedly however, we found unlike in human, cynomolgus HSCs express CD38 but not CD33, indicating that these cellular counterparts are molecularly distinct. Our transcriptomic analysis reveals the presence of a direct differentiation pathway from HSCs to megakaryocyte lineages, lineage-primed multipotent progenitors and also identified putative HSC surface markers. Taken together, our comprehensive dataset highlights not only the utility of cynomolgus monkeys as model systems to study hematopoiesis but also their potential for translational applications.