Mechanisms underlying human germ cell development are unclear, partly due to difficulties in studying human embryos and lack of suitable experimental systems. Here, we show that human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) differentiate into incipient mesoderm-like cells (iMeLCs), which robustly generate human primordial germ cell-like cells (hPGCLCs) that can be purified using the surface markers EpCAM and INTEGRINα6. The transcriptomes of hPGCLCs and primordial germ cells (PGCs) isolated from non-human primates are similar, and although specification of hPGCLCs and mouse PGCs rely on similar signaling pathways, hPGCLC specification transcriptionally activates germline fate without transiently inducing eminent somatic programs. This includes genes important for naive pluripotency and repression of key epigenetic modifiers, concomitant with epigenetic reprogramming. Accordingly, BLIMP1, which represses somatic programs in mice, activates and stabilizes a germline transcriptional circuit and represses a default neuronal differentiation program. Together, these findings provide a foundation for understanding and reconstituting human germ cell development in vitro.

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.

Aberrant male germline development can lead to the formation of seminoma, a testicular germ cell tumor. Seminomas are biologically similar to primordial germ cells (PGCs) and many bear an isochromosome 12p [i(12p)] with two additional copies of the short arm of chromosome 12. By mapping seminoma transcriptomes and open chromatin landscape onto a normal human male germline trajectory, we find that seminoma resembles premigratory/migratory PGCs; however, it exhibits enhanced germline and pluripotency programs and upregulation of genes involved in apoptosis, angiogenesis, and MAPK/ERK pathways. Using pluripotent stem cell-derived PGCs from Pallister-Killian syndrome patients mosaic for i(12p), we model seminoma and identify gene dosage effects that may contribute to transformation. As murine seminoma models do not exist, our analyses provide critical insights into genetic, cellular, and signaling programs driving seminoma transformation, and the in vitro platform developed herein permits evaluation of additional signals required for seminoma tumorigenesis.

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

Abstract Although the gene regulatory network controlling germ cell development is critical for gamete integrity, this network has been substantially diversified during mammalian evolution. Here, we show that several hundred loci of LTR5_Hs, a hominoid-specific endogenous retrovirus (ERV), function as enhancers in both human primordial germ cells (PGCs) and naïve pluripotent cells. PGCs and naïve pluripotent cells exhibit a similar transcriptome signature, and the enhancers derived from LTR5_Hs contribute to establishing such similarity. LTR5_Hs appears to be activated by transcription factors critical in both cell types ( KLF4 , TFAP2C , NANOG , and CBFA2T2 ). Comparative transcriptome analysis between humans and macaques suggested that the expression of many genes in PGCs and naïve pluripotent cells has been upregulated by LTR5_Hs insertions in the hominoid lineage. Together, this study suggests that LTR5_Hs insertions have rewired and finetuned the gene regulatory network shared between PGCs and naïve pluripotent cells during hominoid evolution. Teaser A hominoid-specific ERV has rewired the gene regulatory network shared between PGCs and naïve pluripotent cells.

Abstract Cell differentiation during organogenesis relies on precise epigenetic and transcriptional control. Disruptions to this regulation can result in developmental abnormalities and malignancies, yet the underlying mechanisms are not well understood. Wilms tumors, a type of embryonal tumor closely linked to disrupted organogenesis, harbor mutations in epigenetic regulators in 30-50% of cases. However, the role of these regulators in kidney development and pathogenesis remains unexplored. By integrating mouse modeling, histological characterizations, and single-cell transcriptomics and chromatin accessibility profiling, we show that a Wilms tumor-associated mutation in the chromatin reader protein ENL disrupts kidney development trajectory by rewiring the gene regulatory landscape. Specifically, the mutant ENL promotes the commitment of nephron progenitors while simultaneously restricting their differentiation by dysregulating key transcription factor regulons, particularly the HOX clusters. It also induces the emergence of abnormal progenitor cells that lose their chromatin identity associated with kidney specification. Furthermore, the mutant ENL might modulate stroma-nephron interactions via paracrine Wnt signaling. These multifaceted effects caused by the mutation result in severe developmental defects in the kidney and early postnatal mortality in mice. Notably, transient inhibition of the histone acetylation binding activity of mutant ENL with a small molecule displaces transcriptional condensates formed by mutant ENL from target genes, abolishes its gene activation function, and restores developmental defects in mice. This work provides new insights into how mutations in epigenetic regulators can alter the gene regulatory landscape to disrupt kidney developmental programs at single-cell resolution in vivo . It also offers a proof-of-concept for the use of epigenetics-targeted agents to rectify developmental defects.

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 Despite our increasing knowledge of molecular mechanisms guiding various aspects of human reproduction, those underlying human primordial germ cell (PGC) development remain largely unknown. Here, we conducted custom CRISPR screening in an in vitro system of hPGC-like cells (hPGCLCs) to identify genes required for acquisition and maintenance of PGC fate in humans. Amongst our candidates, we identified TCL1A, an AKT coactivator. Functional assessment in our in vitro hPGCLCs system revealed that TCL1A played a critical role in later stages of hPGCLC development. Moreover, we found that TCL1A loss reduced AKT-mTOR signaling, downregulated expression of genes related to translational control, and subsequently led to a reduction in global protein synthesis and proliferation. Together, our study identifies novel regulators critical for hPGCLC development and demonstrates the importance of translational control in human reproduction.

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.