Remodelling of the human embryo at implantation is indispensable for successful pregnancy. Yet it has remained mysterious because of the experimental hurdles that beset the study of this developmental phase. Here, we establish an in vitro system to culture human embryos through implantation stages in the absence of maternal tissues and reveal the key events of early human morphogenesis. These include segregation of the pluripotent embryonic and extra-embryonic lineages, and morphogenetic rearrangements leading to generation of a bilaminar disc, formation of a pro-amniotic cavity within the embryonic lineage, appearance of the prospective yolk sac, and trophoblast differentiation. Using human embryos and human pluripotent stem cells, we show that the reorganization of the embryonic lineage is mediated by cellular polarization leading to cavity formation. Together, our results indicate that the critical remodelling events at this stage of human development are embryo-autonomous, highlighting the remarkable and unanticipated self-organizing properties of human embryos. Zernicka-Goetz and colleagues report an in vitro culture system that recapitulates hallmarks of human embryo morphogenesis before gastrulation, including formation of the pro-amniotic cavity and appearance of the prospective yolk sac.

Abstract DUX4 has recently been recognized as a key regulator in human embryonic genome activation (EGA). The exact role of DUX4 in human embryo is still elusive, partly due to the cytotoxicity of persistent DUX4 expression in cellular models. We report here that a transient DUX4 expression in human embryonic stem cells (hESCs) retains cell viability while inducing an EGA-like expression program in a subpopulation of the cells. These cells showed resemblance to 8-cell stage blastomeres and were thus named induced blastomere-like (iBM) cells. Trajectory inference from the single-cell RNA-seq data suggested that the expression profile of these cells progressed in a manner similar to the morula to blastocyst transition in human embryo. Finally, viable iBM cells could be enriched using an antibody against NaPi2b (SLC34A2), paving the way for further experimental approaches. The iBM cells can become a powerful tool to model transcriptional dynamics and regulation during early human embryogenesis.

During the human oocyte-to-embryo transition, the fertilized oocyte undergoes final maturation and the embryo genome is gradually activated during the first three cell divisions. How this transition is coordinated in humans is largely unknown. We show that the double homeodomain transcription factor DUX4 contributes to this transition. DUX4 knockdown in human zygotes caused insufficient transcriptome reprogramming as observed three days after fertilization. Induced DUX4 expression in human embryonic stem cells activated transcription of thousands of newly identified bi-directional transcripts, including putative enhancers for embryonic genome activation genes such as LEUTX. DUX4 protein interacted with transcriptional modifiers that are known to couple enhancers and promoters. Taken together, our results reveal that DUX4 is a pioneer regulating oocyte-to-embryo transition in human through activation of intergenic genome, especially enhancers, and hence setting the stage for early human embryo development.

It is essential for early human life that immunological responses to developing embryos are tightly regulated. An imbalance in the activation and regulation of the human complement system occurs in pregnancy complications, such as pre-eclampsia and recurrent miscarriage. We hereby present the first full analysis of the expression and deposition of complement molecules in human pre-implantation embryos. Thus far, immunological imbalance has been considered in stages of pregnancy following implantation. We here show that complement activation and deposition takes place on developing human embryos already at the pre-implantation stage. Using confocal microscopy, we observed deposition of activation products such as C1q, C3 and C5 on healthy developing embryos, which highlights the need for strict complement regulation. The early embryos express the complement membrane inhibitors CD46, CD55 and CD59 and bind the soluble regulators C4bp and factor H. These findings show that complement targets human embryos, and indicate potential adverse pregnancy outcomes, if regulation of activation fails. In addition, single-cell RNA sequencing of embryos at oocyte, zygote, 4-cell and 8-cell stages showed expression of complement genes, e.g. C1s, C2, C3, C5, factor B and factor D. This shows that the embryonic cells themselves have the capacity to express C3 and C5, which may become activated and function as mediators of cellular signaling. The specific local embryonic expression of complement components, regulators, and deposition of activation products on the surface of embryos suggests that complement has immunoregulatory functions and may impact cellular homeostasis and differentiation at the earliest stage of human life.