Embryonic stem cells can be incorporated into the developing embryo and its germ line, but, when cultured alone, their ability to generate embryonic structures is restricted. They can interact with trophoblast stem cells to generate structures that break symmetry and specify mesoderm, but their development is limited as the epithelial–mesenchymal transition of gastrulation cannot occur. Here, we describe a system that allows assembly of mouse embryonic, trophoblast and extra-embryonic endoderm stem cells into structures that acquire the embryo’s architecture with all distinct embryonic and extra-embryonic compartments. Strikingly, such embryo-like structures develop to undertake the epithelial–mesenchymal transition, leading to mesoderm and then definitive endoderm specification. Spatial transcriptomic analyses demonstrate that these morphological transformations are underpinned by gene expression patterns characteristic of gastrulating embryos. This demonstrates the remarkable ability of three stem cell types to self-assemble in vitro into gastrulating embryo-like structures undertaking spatio-temporal events of the gastrulating mammalian embryo. Sozen et al. devise an approach to combine embryonic stem cells, trophoblast stem cells and extra-embryonic endoderm stem cells into self-assembling embryo-like structures, which recapitulate key hallmarks of gastrulation in vitro.

Cardiac differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) requires orchestration of dynamic gene regulatory networks during stepwise fate transitions but often generates immature cell types that do not fully recapitulate properties of their adult counterparts, suggesting incomplete activation of key transcriptional networks. We performed extensive single-cell transcriptomic analyses to map fate choices and gene expression programs during cardiac differentiation of hPSCs and identified strategies to improve in vitro cardiomyocyte differentiation. Utilizing genetic gain- and loss-of-function approaches, we found that hypertrophic signaling is not effectively activated during monolayer-based cardiac differentiation, thereby preventing expression of HOPX and its activation of downstream genes that govern late stages of cardiomyocyte maturation. This study therefore provides a key transcriptional roadmap of in vitro cardiac differentiation at single-cell resolution, revealing fundamental mechanisms underlying heart development and differentiation of hPSC-derived cardiomyocytes.

The neural fate commitment of pluripotent stem cells requires the repression of extrinsic inhibitory signals and the activation of intrinsic positive transcription factors. However, how these two events are integrated to ensure appropriate neural conversion remains unclear. In this study, we showed that Pou3f1 is essential for the neural differentiation of mouse embryonic stem cells (ESCs), specifically during the transition from epiblast stem cells (EpiSCs) to neural progenitor cells (NPCs). Chimeric analysis showed that Pou3f1 knockdown leads to a markedly decreased incorporation of ESCs in the neuroectoderm. By contrast, Pou3f1-overexpressing ESC derivatives preferentially contribute to the neuroectoderm. Genome-wide ChIP-seq and RNA-seq analyses indicated that Pou3f1 is an upstream activator of neural lineage genes, and also is a repressor of BMP and Wnt signaling. Our results established that Pou3f1 promotes the neural fate commitment of pluripotent stem cells through a dual role, activating internal neural induction programs and antagonizing extrinsic neural inhibitory signals.

Summary During mammalian embryogenesis, spatial regulation of gene expression and cell signaling are functionally coupled with lineage specification, patterning of tissue progenitors and germ layer morphogenesis. While the mouse model has been instrumental for our understanding of mammalian development, comparatively little is known about human and non-human primate gastrulation due to the restriction of both technical and ethical issues. Here, we present a morphological and molecular survey of spatiotemporal dynamics of cell types populating the non-human primate embryos during gastrulation. We performed serial sections of Cynomolgus monkeys ( Macaca fascicularis ) gastrulating embryos at 1-day temporal resolution from E17 to E21, and reconstructed three-dimensional digital models based on high-resolution anatomical atlas that revealed the dynamic changes in the geography of the mesoderm and primitive streaks. Spatial transcriptomics identified unique gene profiles that correspond to distinct germ layers and cross-species spatiotemporal transcriptome analysis revealed a developmental coordinate of germ layer segregation between mouse and primate. Furthermore, we identified species-specific transcription programs during gastrulation. These results offer important insights into evolutionarily conserved and divergent processes during mammalian gastrulation. Highlight A high-resolution anatomical atlas of Cynomolgus gastrulation embryos Created a three-dimensional digital template from serial sections of five developmental stages A two-dimensional spatiotemporal transcriptome of the germ layers of gastrulating embryos Cross-species comparison infers conservation of functional attributes of regulome and signaling activity in germ layer formation

Abstract Elucidating the spatiotemporal dynamics of gene expression is essential for understanding complex physiological and pathological processes. Traditional technologies like in situ hybridization (ISH) and immunostaining have been restricted to analyzing expression patterns of a limited number of genes. Spatial transcriptomics (ST) has emerged as a robust alternative, enabling the investigation of spatial patterns of thousands of genes simultaneously. However, current ST methods are hindered by low read depths and limited gene detection capabilities. Here, we introduce Palette, a pipeline that infers detailed spatial gene expression patterns from bulk RNA-seq data, utilizing existing ST data as only reference. This method identifies more precise expression patterns by smoothing, imputing and adjusting gene expressions. We applied Palette to construct the D anio re rio S patio T emporal E xpression P rofiles ( Dre STEP) by integrating 53-slice serial bulk RNA-seq data from three developmental stages with existing ST references and 3D zebrafish embryo images. Dre STEP provides a comprehensive cartographic resource for examining gene expression and spatial cell-cell interactions within zebrafish embryos. Utilizing machine learning-based screening, we identified key morphogens and transcription factors (TFs) essential for anteroposterior (AP) axis development and characterized their dynamic distribution throughout embryogenesis. In addition, among these TFs, Hox family genes were found to be pivotal in AP axis refinement. Their expression was closely correlated with cellular AP identities, and hoxb genes may act as central regulators in this process.

Abstract The hippocampus executes crucial functions from declarative memory to adaptive behaviors associated with cognition and emotion. However, the mechanisms of how morphogenesis and functions along the hippocampal dorsoventral axis are differentiated and integrated are still largely unclear. Here, we show that Nr2f1 and Nr2f2 genes are distinctively expressed in the dorsal and ventral hippocampus, respectively. The loss of Nr2f2 results in ectopic CA1/CA3 domains in the ventral hippocampus. The deficiency of Nr2f1 leads to the failed specification of dorsal CA1, among which there are place cells. The deletion of both Nr2f genes causes almost agenesis of the hippocampus with abnormalities of trisynaptic circuit and adult neurogenesis. Moreover, Nr2f1/2 may cooperate to guarantee appropriate morphogenesis and function of the hippocampus by regulating the Lhx5-Lhx2 axis. Our findings revealed a novel mechanism that Nr2f1 and Nr2f2 converge to govern the differentiation and integration of distinct characteristics of the hippocampus in mice.

Understanding of the molecular drivers of lineage diversification and tissue patterning during primary germ layer development requires in-depth knowledge of the dynamic molecular trajectories of cell lineages across a series of developmental stages of gastrulation 1–7 . Through computational modeling, we constructed at single-cell resolution a spatio-temporal compendium of the molecular trajectories of germ-layer derivatives in gastrula-stage mouse embryos. This molecular atlas infers the developmental trajectories of single-cell populations and the molecular network activity underpinning the specification and differentiation of the germ-layer lineages. Analysis of the heterogeneity of cellular composition of cell populations at defined positions in the epiblast revealed progressive diversification of cell types, mirroring the process of lineage allocation during gastrulation. A novel observation is the difference in the contribution of cells on contralateral sides of the epiblast to mesoderm derivatives of the early organogenesis embryo, and the enhanced BMP signaling activity in right-side mesoderm of E7.5 embryo. Perturbation of BMP signaling activity at late gastrulation led to randomization of left-right (L-R) molecular asymmetry in the lateral mesoderm of early-somite-stage embryo. Our findings indicate the asymmetric BMP activity during gastrulation may be critical for the symmetry breaking process associated with specification of L-R body asymmetry ahead of the acquisition of functionality of the L-R organizer.

SUMMARY Spinal motor neurons deficiency results in a series of devastating disorders such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), spinal muscular atrophy (SMA) and spinal cord injury (SCI). These disorders are currently incurable, while human pluripotent stem cells (hPSCs)-derived spinal motor neurons are promising but suffered from low-efficiency, functional immaturity and lacks of posterior cellular identity. In this study, we have established human spinal cord neural progenitor cells (hSCNPCs) via hPSCs differentiated neuromesodermal progenitors (NMPs) and demonstrated the hSCNPCs can be continuously expanded up to 40 passages. hSCNPCs can be rapidly differentiated into posterior spinal motor neurons with high efficiency. The functional maturity has been examined in detail. Moreover, a co-culture scheme which is compatible for both neural and muscular differentiation is developed to mimic the neuromuscular junction (NMJ) formation in vitro . Together, these studies highlight the potential avenues for generating clinically relevant spinal motor neurons and modeling neuromuscular diseases through our defined hSCNPCs.