Interspecies chimera formation with human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a necessary alternative to evaluate hPSC pluripotency in vivo and might constitute a promising strategy for various regenerative medicine applications, including the generation of organs and tissues for transplantation. Studies using mouse and pig embryos suggest that hPSCs do not robustly contribute to chimera formation in species evolutionarily distant to humans. We studied the chimeric competency of human extended pluripotent stem cells (hEPSCs) in cynomolgus monkey (Macaca fascicularis) embryos cultured ex vivo. We demonstrate that hEPSCs survived, proliferated, and generated several peri- and early post-implantation cell lineages inside monkey embryos. We also uncovered signaling events underlying interspecific crosstalk that may help shape the unique developmental trajectories of human and monkey cells within chimeric embryos. These results may help to better understand early human development and primate evolution and develop strategies to improve human chimerism in evolutionarily distant species.

Abstract Studies of cultured embryos have provided insights into human peri-implantation development. However, detailed knowledge of peri-implantation lineage developments as well as underlying mechanisms remain obscure. Using 3D-cultured human embryos, herein we report a complete cell atlas of the early post-implantation lineages and decipher cellular composition and gene signatures of the epiblast and hypoblast derivatives. In addition, we develop an embryo-like assembloid (E-assembloid) by assembling naive hESCs and extraembryonic cells. Using human embryos and E-assembloids, we reveal that WNT, BMP and Nodal signaling synergistically, but functionally differently, orchestrate human peri-implantation lineage development. Specially, we dissect mechanisms underlying extraembryonic mesoderm and extraembryonic endoderm specifications. Finally, an improved E-assembloid is developed to recapitulate the epiblast and hypoblast developments and tissue architectures in the pre-gastrulation human embryo. Our findings provide insights of the human peri-implantation development, and the E-assembloid offers a useful model to disentangle cellular behaviors and signaling interactions that drive human embryogenesis.