Summary

 Long-term ex vivo live imaging combined with unbiased sampling of cycling precursors shows that macaque outer subventricular zone (OSVZ) includes four distinct basal radial glial (bRG) cell morphotypes, bearing apical and/or basal processes in addition to nonpolar intermediate progenitors (IPs). Each of the five precursor types exhibits extensive self-renewal and proliferative capacities as well as the ability to directly generate neurons, albeit with different frequencies. Cell-cycle parameters exhibited an unusual stage-specific regulation with short cell-cycle duration and increased rates of proliferative divisions during supragranular layer production at late corticogenesis. State transition analysis of an extensive clonal database reveals bidirectional transitions between OSVZ precursor types as well as stage-specific differences in their progeny and topology of the lineage relationships. These results explore rodent-primate differences and show that primate cortical neurons are generated through complex lineages by a mosaic of precursors, thereby providing an innovative framework for understanding specific features of primate corticogenesis.

A short G1 phase is a characteristic feature of mouse embryonic stem cells (ESCs). To determine if there is a causal relationship between G1 phase restriction and pluripotency, we made use of the Fluorescence Ubiquitination Cell Cycle Indicator (FUCCI) reporter system to FACS-sort ESCs in the different cell cycle phases. Hence, the G1 phase cells appeared to be more susceptible to differentiation, particularly when ESCs self-renewed in the naïve state of pluripotency. Transitions from ground to naïve, then from naïve to primed states of pluripotency were associated with increased durations of the G1 phase, and cyclin E-mediated alteration of the G1/S transition altered the balance between self-renewal and differentiation. LIF withdrawal resulted in a lengthening of the G1 phase in naïve ESCs, which occurred prior to the appearance of early lineage-specific markers, and could be reversed upon LIF supplementation. We concluded that the short G1 phase observed in murine ESCs was a determinant of naïve pluripotency and was partially under the control of LIF signaling.

Little is known about the molecular underpinnings of pluripotent stem cells' (PSCs) ability to colonize the epiblast of preimplantation embryos and generate chimeras. In our study, using rabbit PSCs as a model system, we conducted unbiased screening of a cDNA library that encodes a panel of 36 pluripotency factors. From this screening, we identified KLF2, ERAS and PRMT6, whose overexpression confers the ability for self-renewal in a KOSR/FGF2-free culture medium supplemented with LIF, activin A, PKC and WNT inhibitors. The reprogrammed cells acquired transcriptomic and epigenetic features of naive pluripotency, including the reactivation of the 2nd X-chromosome. Leveraging these PSC lines, we determined the transcriptomic signature of embryonic colonization-competence, demonstrating transcriptional repression of genes involved in MAPK, WNT, HIPPO, and EPH signaling pathways, alongside the activation of genes involved in amino-acid metabolism, NF-kB signaling, and p53 pathway. Remarkably, a subset of reprogrammed cells, expressing CD75 at a high level, gained the ability to produce chimeric fetuses with a high contribution from PSCs in all lineages.

Summary After reprogramming to naïve pluripotency, human pluripotent stem cells (PSCs) still exhibit very low ability to make interspecies chimeras. Whether this is because they are inherently devoid of the attributes of chimeric competency or because naïve PSCs cannot colonize embryos from distant species remains to be elucidated. Here, we have used different types of mouse, human and rhesus monkey naïve PSCs and analyzed their ability to colonize rabbit and cynomolgus monkey embryos. Mouse embryonic stem cells (ESCs) remained mitotically active and efficiently colonized host embryos. In contrast, primate naïve PSCs colonized host embryos with much lower efficiency. Unlike mouse ESCs, they slowed DNA replication after dissociation and, after injection into host embryos, they stalled in the G1 phase and differentiated prematurely, regardless of host species. We conclude that human and non-human primate naïve PSCs do not efficiently make chimeras because they are inherently unfit to remain mitotically active during colonization.

Abstract Despite the growing interest in the rabbit model for developmental and stem cell biology, the characterization of embryos at the molecular level is still poorly documented. We conducted a transcriptome analysis of rabbit pre-implantation embryos from E2.7 (morula stage) to E6.6 (early primitive streak stage) using bulk and single-cell RNA-sequencing. In parallel, we studied oxidative phosphorylation and glycolysis and analysed active and repressive epigenetic modifications during blastocyst formation and expansion. We generated a transcriptomic, epigenetic, and metabolic map of the pluripotency continuum in rabbit preimplantation embryos and identified novel markers of naive pluripotency that might be instrumental for deriving naive pluripotent stem cell lines. Although the rabbit is evolutionarily closer to mice than to primates, we found that the transcriptome of rabbit epiblast cells shares common features with that of humans and non-human primates. Summary Statement Rabbit preimplantation embryos share characteristics with human and monkey embryos with respect to timing of early lineage segregation and expression of marker genes for naive and primed pluripotency.