The emergence of multiple axes is an essential element in the establishment of the mammalian body plan. This process takes place shortly after implantation of the embryo within the uterus and relies on the activity of gene regulatory networks that coordinate transcription in space and time. Whereas genetic approaches have revealed important aspects of these processes1, a mechanistic understanding is hampered by the poor experimental accessibility of early post-implantation stages. Here we show that small aggregates of mouse embryonic stem cells (ESCs), when stimulated to undergo gastrulation-like events and elongation in vitro, can organize a post-occipital pattern of neural, mesodermal and endodermal derivatives that mimic embryonic spatial and temporal gene expression. The establishment of the three major body axes in these ‘gastruloids’2,3 suggests that the mechanisms involved are interdependent. Specifically, gastruloids display the hallmarks of axial gene regulatory systems as exemplified by the implementation of collinear Hox transcriptional patterns along an extending antero-posterior axis. These results reveal an unanticipated self-organizing capacity of aggregated ESCs and suggest that gastruloids could be used as a complementary system to study early developmental events in the mammalian embryo. Cultures grown from small aggregates of mouse embryonic stem cells can be induced to organize spatial and temporal patterns of gene expression that parallel those of the early embryo, offering a potentially useful system for studying early development.

Mouse embryonic stem cells (mESCs) are clonal populations derived from preimplantation mouse embryos that can be propagated in vitro and, when placed into blastocysts, contribute to all tissues of the embryo and integrate into the normal morphogenetic processes, i.e. they are pluripotent. However, although they can be steered to differentiate in vitro into all cell types of the organism, they cannot organise themselves into structures that resemble embryos. When aggregated into embryoid bodies they develop disorganised masses of different cell types with little spatial coherence. An exception to this rule is the emergence of retinas and anterior cortex-like structures under minimal culture conditions. These structures emerge from the cultures without any axial organisation. Here, we report that small aggregates of mESCs, of about 300 cells, self-organise into polarised structures that exhibit collective behaviours reminiscent of those that cells exhibit in early mouse embryos, including symmetry breaking, axial organisation, germ layer specification and cell behaviour, as well as axis elongation. The responses are signal specific and uncouple processes that in the embryo are tightly associated, such as specification of the anteroposterior axis and anterior neural development, or endoderm specification and axial elongation. We discuss the meaning and implications of these observations and the potential uses of these structures which, because of their behaviour, we suggest to call ‘gastruloids’.

Abstract Pharmaceuticals that are intended for use in patients of childbearing potential need to be tested for teratogenicity before marketing. Several pharmaceutical companies use animal-free in vitro models which allow a more rapid selection of lead compounds and contribute to 3Rs principles (‘replace, reduce and refine’) by streamlining the selection of promising compounds that are submitted to further regulatory studies in animals. Currently available in vitro models typically rely on adherent monolayer cultures or disorganized 3D structures, both of which lack the spatiotemporal and morphological context of the developing embryo. A newly developed 3D ‘gastruloid’ model has the potential to achieve a more reliable prediction of teratogenicity by providing a robust recapitulation of gastrulation-like events alongside morphological coordination at relatively high-throughput. In this first proof-of-concept study, we used both mouse and human gastruloids to examine a panel of seven reference compounds, with associated in vivo data and known teratogenic risk, to quantitatively assess in vitro teratogenicity. We observed several gross morphological effects, including significantly reduced elongation or decreased size of the gastruloids, upon exposure to several of the reference compounds. We also observed aberrant gene expression using fluorescent reporters, including SOX2, BRA , and SOX17 , suggestive of multi-lineage differentiation defects and disrupted axial patterning. Finally, we saw that gastruloids recapitulated some of the known in vivo species-specific susceptibilities between their mouse and human counterparts. We therefore suggest that gastruloids represent a powerful tool for teratogenicity assessment by enabling relevant physiological recapitulation of early embryonic development, demonstrating their use as a novel in vitro teratogenic model system.

Establishment of the three body axes is a critical step during animal development. In mammals, genetic studies have shown that a combination of precisely deployed signals from extraembryonic tissues position the anteroposterior axis (AP) within the embryo and lead to the emergence of the dorsoventral (DV) and left-right (LR) axes. We have used Gastruloids, embryonic organoids, as a model system to understand this process and find that they are able to develop AP, DV and LR axes as well as to undergo axial elongation in a manner that mirror embryos. The Gastruloids can be grown for 160 hours and form derivatives from ectoderm, mesoderm and endoderm. We focus on the AP axis and show that in the Gastruloids this axis is registered in the expression of T/Bra at one pole that corresponds to the tip of the elongation. We find that localisation of T/Bra expression depends on the combined activities of Wnt/β-Catenin and Nodal/Smad2,3 signalling, and that BMP signalling is dispensable for this process. Furthermore, AP axis specification occurs in the absence of both extraembryonic tissues and of localised sources of signalling. Our experiments show that Nodal, together with Wnt/β-Catenin signalling, is essential for the expression of T/Bra but that Wnt signalling has a separable activity in the elongation of the axis. The results lead us to suggest that, in the embryo, the role of the extraembryonic tissues might not be to induce the axes but to bias an intrinsic ability of the embryo to break its initial symmetry and organise its axes.

Primordial Germ Cells (PGCs) are the early embryonic precursors of gametes - sperm and egg cells. PGC-like cells (PGCLCs) can currently be derived in vitro from pluripotent cells exposed to signalling cocktails and aggregated into large embryonic bodies, but these do not recapitulate the native embryonic environment during PGC formation. Here we show that mouse gastruloids, a three-dimensional in vitro model of gastrulation, contain a population of Gastruloid-derived PGC-like cells (Gld-PGCLCs) that resemble early PGCs in vivo . Importantly, the conserved organisation of mouse gastruloids leads to coordinated spatial and temporal localisation of Gld-PGCLCs relative to surrounding somatic cells, even in the absence of specific exogenous PGC-specific signalling or extraembryonic tissues. In gastruloids, self-organised interactions between cells and tissues, including the endodermal epithelium, enables the specification and subsequent maturation of a pool of Gld-PGCLCs. As such, mouse gastruloids represent a new source of PGCLCs in vitro and, due to their inherent co-development, serve as a novel model to study the dynamics of PGC development within integrated tissue environments.

Neuromesodermal progenitors (NMps) are a population of bipotent progenitors that maintain competence to generate both spinal cord and paraxial mesoderm throughout the elongation of the posterior body axis. Recent studies have generated populations of NMp-like cells in culture and have been shown to differentiate to both neural and mesodermal cell fates when transplanted into either mouse or chick embryos. Here, we aim to compare the potential of mouse embryonic stem (ES) cell-derived progenitor populations to generate NMp behavior against both undifferentiated and differentiated populations. We define NMp behaviour as the ability of cells to i) contribute to a significant proportion of the anterior-posterior body axis, ii) enter into both posterior neural and somitic compartments and, iii) retain a proportion of the progenitor population within the posterior growth zone. We compare previously identified ES cell-derived NMp-like populations to undifferentiated mouse ES cells and find that they all display similar potentials to generate NMp behaviour in vivo. To assess whether this competence is lost upon further differentiation, we generated anterior and posterior embryonic cell types through the generation of 3D gastruloids and show that NMp competence is lost within the anterior (Brachyury negative) portion of the gastruloid. Taken together, this demonstrates that the chick caudo-lateral epiblast is a highly permissive environment for testing NMp competence and is therefore not suitable as a positive test of neuromesodermal progenitor identity (ie. specification). However, it does act as an appropriate system to test for the loss of NMp potential, and therefore offers insight as a functional test for the regulation of NMp competence in vivo.

The Caudal Lateral Epiblast of mammalian embryos harbours bipotent progenitors that contribute to the spinal cord and the paraxial mesoderm in concert with the elongation of the body axis. These progenitors, called Neural Mesodermal Progenitors (NMPs) are identified as cells coexpressing Sox2 and T/Brachyury, a criterion used to derive NMP-like cells from Embryonic Stem Cells in vitro. However, these progenitors do not self renew, as embryonic NMPs do. Here we find that protocols that yield NMP-like cells in vitro first produce a multipotent population that, additional to NMPs, generates progenitors for the lateral plate and intermediate mesoderm. We show that Epiblast Stem Cells (EpiSCs) are an effective source for these multipotent progenitors that are further differentiated by a balance between BMP and Nodal signalling. Importantly, we show that NMP-like cells derived from EpiSCs self renew in vitro and exhibit a gene expression signature similar to that of their embryo counterparts.

Dissociated mouse embryonic stem (ES) cells were cultured to form aggregates in small volumes of basal medium in U-bottomed, non tissue-culture-treated 96-well plates and subsequently maintained in suspension culture. After growth for 48 hours, the aggregates are competent to respond to ubiquitous experimental signals which result in their symmetry-breaking and generation of defined polarised structures by 96 hours. It is envisaged that this system can be applied both to the study of early developmental events and more broadly to the processes of self-organisation and cellular decision-making. It may also provide a suitable niche for the generation of cell types present in the embryo but unobtainable from conventional adherent culture.

Generation of asymmetry within the early embryo is a critical step in the establishment of the three body axes, providing a reference for the patterning of the organism. To study the establishment of asymmetry and the development of the anteroposterior axis (AP) in culture, we utilised our Gastruloid model system. Gastruloids, highly reproducible embryonic organoids formed from aggregates of mouse embryonic stem cells, display symmetry-breaking, polarised gene expression and axial development, mirroring the processes on a time-scale similar to that of the mouse embyro. Using Gastruloids formed from mouse ESCs containing reporters for Wnt, FGF and Nodal signalling, we were able to quantitatively assess the contribution of these signalling pathways to the establishment of asymmetry through single time-point and live-cell fluorescence microscopy. During the first 24-48h of culture, interactions between the Wnt/β-Catenin and Nodal/TGFβ signalling pathways promote the initial symmetry-breaking event, manifested through polarised Brachyury (T/Bra) expression. Neither BMP nor FGF signalling is required for the establishment of asymmetry, however Wnt signalling is essential for the amplification and stability of the initial patterning event. Additionally, low, endogenous levels of FGF (24-48h) has a role in the amplification of the established pattern at later time-points. Our results confirm that Gastruloids behave like epiblast cells in the embryo, leading us to translate the processes and signalling involved in pattern formation of Gastruloids in culture to the development of the embryo, firmly establishing Gastruloids as a highly reproducible, robust model system for studying cell fate decisions and early pattern formation in culture.