Abstract During embryonic development, cells undertake a series of fate decisions to form a complete organism comprised of various cell types, epitomising a branching process. A striking example of branching occurs in humans around the time of implantation, when primordial germ cells (PGCs), precursors of sperm and eggs, and somatic lineages are specified. Due to inaccessibility of human embryos at this stage of development, understanding the mechanisms of PGC specification remains difficult. The integrative modelling of single cell transcriptomics data from embryos and appropriate in vitro models should prove to be a useful resource for investigating this system, provided that the cells can be suitably ordered over a developmental axis. Unfortunately, most methods for inferring cell ordering were not designed with structured (time series) data in mind. Although some probabilistic approaches address these limitations by incorporating prior information about the developmental stage (capture time) of the cell, they do not allow the ordering of cells over processes with more than one terminal cell fate. To investigate the mechanisms of PGC specification, we develop a probabilistic pseudotime approach, branch-recombinant Gaussian process latent variable models (B-RGPLVMs), that use an explicit model of transcriptional branching in individual marker genes, allowing the ordering of cells over developmental trajectories with arbitrary numbers of branches. We use first demonstrate the advantage of our approach over existing pseudotime algorithms and subsequently use it to investigate early human development, as primordial germ cells (PGCs) and somatic cells diverge. We identify known master regulators of human PGCs, and predict roles for a variety of signalling pathways, transcription factors, and epigenetic modifiers. By concentrating on the earliest branched signalling events, we identified an antagonistic role for FGF receptor (FGFR) signalling pathway in the acquisition of competence for human PGC fate, and identify putative roles for PRC1 and PRC2 in PGC specification. We experimentally validate our predictions using pharmacological blocking of FGFR or its downstream effectors (MEK, PI3K and JAK), and demonstrate enhanced competency for PGC fate in vitro , whilst small molecule inhibition of the enzymatic component of PRC1/PRC2 reveals reduced capacity of cells to form PGCs in vitro . Thus, B-RGPLVMs represent a powerful and flexible data-driven approach for dissecting the temporal dynamics of cell fate decisions, providing unique insights into the mechanisms of early embryogenesis. Scripts relating to this analysis are available from: https://github.com/cap76/PGCPseudotime

Summary

 PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are small RNAs bound by PIWI-clade Argonaute proteins that function to silence transposable elements (TEs). Following mouse primordial germ cell (mPGC) specification around E6.25, fetal piRNAs emerge in male gonocytes from E13.5 onward. The in vitro differentiation of mPGC-like cells (mPGCLCs) has raised the possibility of studying the fetal piRNA pathway in greater depth. However, using single-cell RNA-seq and RT-qPCR along mPGCLC differentiation, we find that piRNA pathway factors are not fully expressed in Day 6 mPGCLCs. Moreover, we do not detect piRNAs across a panel of Day 6 mPGCLC lines using small RNA-seq. Our combined efforts highlight that in vitro differentiated Day 6 mPGCLCs do not yet resemble E13.5 or later mouse gonocytes where the piRNA pathway is active. This Matters Arising paper is in response to von Meyenn et al. (2016), published in Developmental Cell. See also the correction by von Meyenn et al. published in this issue.

Abstract Human germline-soma segregation occurs during weeks 2-3 in gastrulating embryos. While direct studies are hindered, here we investigate the dynamics of human primordial germ cell (PGCs) specification using in vitro models with temporally resolved single-cell transcriptomics and in-depth characterisation to in vivo datasets from human and non-human primates, including a 3D marmoset reference atlas. We elucidate the molecular signature for the transient gain of competence for germ cell fate during peri-implantation epiblast development. Further, we show that both the PGCs and amnion arise from transcriptionally similar TFAP2A positive progenitors at the posterior end of the embryo. Notably, genetic loss of function experiments show that TFAP2A is crucial for initiating the PGC fate without detectably affecting the amnion, and its subsequently replaced by TFAP2C as an essential component of the genetic network for PGC fate. Accordingly, amniotic cells continue to emerge from the progenitors in the posterior epiblast, but importantly, this is also a source of nascent PGCs.

Summary Investigations on the human germline and programming are challenging due to limited access to embryonic material. However, the pig as a model may provide insight on transcriptional network and epigenetic reprogramming applicable to both species. Here we show that during the pre- and early migratory stages pig primordial germ cells (PGCs) initiate large-scale epigenetic reprogramming, including DNA demethylation involving TET-mediated hydroxylation and potentially base excision repair (BER). There is also macroH2A1 depletion and increased H3K27me3, as well as X chromosome reactivation (XCR) in females. Concomitantly, there is dampening of glycolytic metabolism genes and re-expression of some pluripotency genes like those in preimplantation embryos. We identified evolutionarily young transposable elements and gene coding regions resistant to DNA demethylation in acutely hypomethylated gonadal PGCs, with potential for transgenerational epigenetic inheritance. Detailed insights into the pig germline will likely contribute significantly to advances in human germline biology, including in vitro gametogenesis.

Abstract Random X-chromosome inactivation (XCI) is a hallmark of female mammalian somatic cells. This epigenetic mechanism, mediated by the long non-coding RNA Xist , occurs in the epiblast and is stably maintained to ensure proper dosage compensation of X-linked genes during life. However, this silencing is lost during primordial germ cell (PGC) development. Using a combination of single-cell allele-specific RNA sequencing and low-input chromatin profiling in developing in vivo PGC, we provide unprecedented detailed maps of gene reactivation. We demonstrated that PGC still carry a fully silent X chromosome on embryonic day (E) 9.5, despite the loss of Xist expression. X-linked genes are then gradually reactivated outside the Xist first-bound regions. At E12.5, a significant part of the inactive X chromosome (Xi) still resists reactivation, carrying an epigenetic memory of its silencing. Late-reactivated genes are enriched in repressive chromatin marks, including DNA methylation and H3K27me3 marks. Our results define the timing of reactivation of the silent X chromosome a key event in female PGC reprogramming with direct implications for reproduction.

A common class of behaviour encountered in the biological sciences involves branching and recombination. During branching, a statistical process bifurcates resulting in two or more potentially correlated processes that may undergo further branching; the contrary is true during recombination, where two or more statistical processes converge into one. A key objective is to identify the time of this bifurcation (branch time) from time series measurements e.g., comparing a control time series with a perturbed time series. Whilst statistical treatments for the two branch (control versus treatment) case exists, the ability to infer more complex branching structure from time series data remains open. Gaussian processes (GPs) represents an ideal framework for such analysis, allowing for nonlinear regression that includes a rigorous treatment of uncertainty. Currently, however, GP models only exist for two-branch systems. Here we highlight how arbitrarily complex branching processes can be built using the correct composition of covariance functions within a GP framework, thus outlining a general framework for the treatment of branching and recombination in the form of branch-recombinant Gaussian processes (B-RGPs). We first demonstrate the performance of B-RGPs compared to a variety of existing regression approaches, and demonstrate robustness to model misspecification. B-RGPs are then used to investigate the branching patterns of Arabidopsis thaliana gene expression following inoculation with the hemibotrophic bacteria, Pseudomonas syringae DC3000, and a disarmed mutant strain, hrpA. By grouping genes according to the number of branches, we could naturally separate out genes involved in basal immune response from those subverted by the virulent strain, and show enrichment for targets of pathogen protein effectors. Finally, we identify two early branching genes WRKY11 and WRKY17, and showed that groups of genes that branched at similar times to WRKY11/17 were enriched for W-box binding motifs, and overrepresented for genes differentially expressed in WRKY11/17 knockouts, suggesting that branch time could be used for identifying direct and indirect binding targets of key transcription factors.

Despite the extensive erasure of DNA methylation in the early human germline, nearly eight percent of CpGs are resistant to the epigenetic resetting in the acutely hypomethylated primordial germ cells (week 7-9 hPGCs). Whether this occurs stochastically or represents a relatively conserved layer of epigenetic information is unclear. Here we show that several predominantly hominoid-specific families of transposable elements (TEs) consistently resist DNA demethylation (henceforth called hPGC-methylated TEs or escapees) during the epigenetic resetting of hPGCs. Some of them undergo subsequent dynamic epigenetic changes during embryonic development. Our analysis of the fetal cerebral cortex also revealed multiple classes of young hPGC-methylated TEs within putative and established enhancers. Remarkably, specific hPGC-methylated TE subfamilies were associated with a multitude of adaptive human traits, including hair colour and intelligence, and diseases including schizophrenia and Alzheimers disease. We postulate that hPGC-methylated TEs represent potentially heritable information within the germline with a role in human development and evolution.