ABSTRACT Reconstitution of germ cell fate from pluripotent stem cells provides an opportunity to understand the molecular underpinnings of germ cell development. Here, we established robust methods for pluripotent stem cells (iPSCs) culture in the common marmoset ( Callithrix jacchus , cj), which stably propagate in an undifferentiated state. Notably, iPSCs cultured on a feeder layer in the presence of a WNT signaling inhibitor upregulated genes related to ubiquitin-dependent protein catabolic processes and enter a permissive state that enables differentiation into primordial germ cell-like cells (PGCLCs) bearing immunophenotypic and transcriptomic similarities to pre-migratory cjPGCs in vivo . Induction of cjPGCLCs is accompanied by transient upregulation of mesodermal genes culminating in the establishment of a primate specific germline transcriptional network. Moreover, cjPGCLCs can be expanded in monolayer while retaining the germline state. Upon co-culture with mouse testicular somatic cells, these cells acquire an early prospermatogonia-like phenotype. Our findings provide a framework for understanding and reconstituting marmoset germ cell development in vitro, thus providing a comparative tool and foundation for a preclinical modeling of human in vitro gametogenesis.

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

Failures in germline development drive male infertility, but the lack of model systems that recapitulate human spermatogenesis hampers therapeutic development. Here, we have developed a system to differentiate human induced pluripotent stem cells (iPSCs) into primordial germ cell-like cells that self-organize within xenogeneic reconstituted testes (xrTestes) generated from mouse fetal testicular cells. Subsequent transplant of xrTestes into immunodeficient mice resulted in efficient generation of undifferentiated and differentiated spermatogonia as well as preleptotene spermatocytes with striking similarities to their in vivo counterparts. As future clinical application will require testing in non-human primates, we utilized a similar strategy to differentiate rhesus iPSCs through all fetal germ cell stages into spermatogonia-like cells. Together, these models will serve as steppingstone to completion of human male in vitro gametogenesis.

Abstract The mechanisms leading to adrenal cortex development and steroid synthesis in humans remain poorly understood due to the paucity of model systems. Herein, we faithfully recapitulate human fetal adrenal cortex specification processes through stepwise induction of human induced pluripotent stem cells through posterior intermediate mesoderm-like and adrenal progenitor-like states to ultimately generate fetal zone adrenal cortex-like cells (FZLCs), as evidenced by histomorphological, ultrastructural, and transcriptome features and adrenocorticotropic hormone (ACTH)-independent Δ5 steroid biosynthesis. Furthermore, FZLC generation is promoted by SHH and inhibited by NOTCH, ACTIVIN and WNT signaling, and that steroid synthesis is amplified by ACTH/PKA signaling and blocked by inhibitors of Δ5 steroid synthesis enzymes. Finally, NR5A1 promotes FZLC survival and steroidogenesis. Together, these findings provide a framework for understanding and reconstituting human adrenocortical development in vitro paving the way for cell-based therapies of adrenal insufficiency.

Spermatogonial stem cells (SSCs) both self-renew and give rise to progenitor spermatogonia that enter steady-state spermatogenesis in the mammalian testis. However, questions remain regarding the extent to which SSCs and progenitors represent stably distinct spermatogonial subtypes. Here we provide the first multiparametric integrative analysis of mammalian germ cell epigenomes comparable to that done by the ENCODE Project for >100 somatic cell types. Differentially expressed genes distinguishing SSCs and progenitors showed distinct histone modification patterns as well as differences in distal intergenic low-methylated regions. Motif-enrichment analysis predicted transcription factors that regulate this spermatogonial subtype-specific epigenetic programming, and gene-specific chromatin immunoprecipitation analyses confirmed subtype-specific differences in binding of a subset of these factors to target genes. Collectively, these results suggest that SSCs and progenitors are stably distinct spermatogonial subtypes differentially programmed to either self-renew and maintain regenerative capacity as SSCs, or lose regenerative capacity and initiate lineage commitment as progenitors.