Summary

 The earliest aspects of human embryogenesis remain mysterious. To model patterning events in the human embryo, we used colonies of human embryonic stem cells (hESCs) grown on micropatterned substrate and differentiated with BMP4. These gastruloids recapitulate the embryonic arrangement of the mammalian germ layers and provide an assay to assess the structural and signaling mechanisms patterning the human gastrula. Structurally, high-density hESCs localize their receptors to transforming growth factor β at their lateral side in the center of the colony while maintaining apical localization of receptors at the edge. This relocalization insulates cells at the center from apically applied ligands while maintaining response to basally presented ones. In addition, BMP4 directly induces the expression of its own inhibitor, NOGGIN, generating a reaction-diffusion mechanism that underlies patterning. We develop a quantitative model that integrates edge sensing and inhibitors to predict human fate positioning in gastruloids and, potentially, the human embryo.

ABSTRACT Breaking the anterior-posterior (AP) symmetry in mammals takes place at gastrulation. Much of the signaling network underlying this process has been elucidated in the mouse, however there is no direct molecular evidence of events driving axis formation in humans. Here, we use human embryonic stem cells to generate an in vitro 3D model of a human epiblast whose size, cell polarity, and gene expression are similar to a 10-day human epiblast. A defined dose of bone mor-phogenetic protein 4 (BMP4) spontaneously breaks axial symmetry, and induces markers of the primitive streak and epithelial to mesenchymal transition. By gene knockouts and live-cell imaging we show that, downstream of BMP4, WNT3 and its inhibitor DKK1 play key roles in this process. Our work demonstrates that a model human epiblast can break axial symmetry despite no asymmetry in the initial signal and in the absence of extraembryonic tissues or maternal cues. Our 3D model opens routes to capturing molecular events underlying axial symmetry breaking phenomena, which have largely been unexplored in model human systems.

Abstract Huntington’s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disorder caused by an expansion of the CAG repeats in the Huntingtin gene ( HTT ). While HD has been shown to have a developmental component, how early during human embryogenesis the HTT-CAG expansion can cause embryonic defects remains unknown. Here, we demonstrate a specific and highly reproducible CAG length-dependent phenotypic signature in a synthetic model for human gastrulation derived from human embryonic stem cells (hESCs). Specifically, we observed a reduction in the extension of the ectodermal compartment that is associated with enhanced ACTIVIN signaling. Surprisingly, rather than a cell-autonomous effect, tracking the dynamics of TGFβ signaling demonstrated that HTT-CAG expansion perturbs the spatial restriction of ACTIVIN response. This is due to defects in the apicobasal polarization in the context of the polarized epithelium of the gastruloid, leading to ectopic subcellular localization of TGFβ receptors. This work refines the earliest developmental window for the prodromal phase of HD to the first two weeks of human development as modeled by our gastruloids.

ABSTRACT Self-organization of discrete fates in human gastruloids is mediated by a hierarchy of signaling pathways. How these pathways are integrated in time, and whether cells maintain a memory of their signaling history remains obscure. Here, we dissect the temporal integration of two key pathways, WNT and ACTIVIN, which along with BMP control gastrulation. CRISPR/Cas9 live reporters of SMAD1, 2 and 4 demonstrate that in contrast to the stable signaling by SMAD1, signaling and transcriptional response by SMAD2 is transient, and while necessary for pluripotency, it is insufficient for differentiation. Pre-exposure to WNT, however, endows cells with the competence to respond to graded levels of ACTIVIN, which induces differentiation without changing SMAD2 dynamics. This cellular memory of WNT signaling is necessary for ACTIVIN morphogen activity. A re-evaluation of the evidence gathered over decades in model systems, re-enforces our conclusions and points to an evolutionarily conserved mechanism.

Abstract Expansion of the glutamine tract (poly-Q) in the protein huntingtin (HTT) causes the neurodegenerative disorder Huntington’s disease (HD). Emerging evidence suggests that mutant HTT (mHTT) disrupts brain development. To gain mechanistic insights into the neurodevelopmental impact of human mHTT, we engineered male induced pluripotent stem cells to introduce a biallelic or monoallelic mutant 70Q expansion or to remove the poly-Q tract of HTT. The introduction of a 70Q mutation caused aberrant development of cerebral organoids with loss of neural progenitor organization. The early neurodevelopmental signature of mHTT highlighted the dysregulation of the protein coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2 (CHCHD2), a transcription factor involved in mitochondrial integrated stress response. CHCHD2 repression was associated with abnormal mitochondrial morpho-dynamics that was reverted upon overexpression of CHCHD2. Removing the poly-Q tract from HTT normalized CHCHD2 levels and corrected key mitochondrial defects. Hence, mHTT-mediated disruption of human neurodevelopment is paralleled by aberrant neurometabolic programming mediated by dysregulation of CHCHD2, which could then serve as an early interventional target for HD.

Abstract Expansion of the glutamine tract (poly-Q) in the protein Huntingtin (HTT) causes the neurodegenerative disorder Huntington’s disease (HD). Emerging evidence suggests that mutant HTT (mHTT) disrupts brain development. To gain mechanistic insights into the neurodevelopmental impact of human mHTT, we engineered induced pluripotent stem cells to introduce a biallelic or monoallelic mutant 70Q expansion or to remove the poly-Q tract of HTT. 70Q introduction caused aberrant development of cerebral organoids with loss of neural progenitor organization. The early neurodevelopmental signature of mHTT highlighted the dysregulation of the protein coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2 (CHCHD2), a transcription factor involved in mitochondrial integrated stress response. CHCHD2 repression was associated with abnormal mitochondrial morpho-dynamics and elevated resting energy expenditure. Elimination of the poly-Q tract of HTT normalized CHCHD2 expression and mitochondrial defects. Hence, mHTT-mediated disruption of human neurodevelopment is paralleled by aberrant neurometabolic programming mediated by dysregulation of CHCHD2, which could then serve as an early intervention target for HD.

During gastrulation epiblast cells exit pluripotency as they specify and spatially arrange the three germ layers of the embryo. Similarly, human pluripotent stem cells (PSCs) undergo spatially organized fate specification on micropatterned surfaces. Since in vivo validation is not possible for the human, we developed a mouse PSC micropattern system and, with direct comparisons to mouse embryos, reveal the robust specification of distinct regional identities. BMP, WNT, ACTIVIN and FGF directed mouse epiblast-like cells to undergo an epithelial-to-mesenchymal transition and radially pattern posterior mesoderm fates. Conversely, WNT, ACTIVIN and FGF patterned anterior identities, including definitive endoderm. By contrast, epiblast stem cells, a developmentally advanced state, only specified anterior identities, but without patterning. The mouse micropattern system offers a robust scalable method to generate regionalized cell types present in vivo, resolve how signals promote distinct identities and generate patterns, and compare mechanisms operating in vivo and in vitro and across species.