ABSTRACT Recently, a new wave of synthetic embryo systems (SESs) have been established from cultured cells toward efficient and ethical embryonic development research. We recently reported our epiblast stem cell (EPISC) reprogramming SES that generates numerous blastocyst (BC)-like hemispheres (BCLH) with pluripotent and extraembryonic cell features detected microscopically. Here, we further explored the system over key time points with unprecedented single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis and revealed broad induction of the 2C-like reporter MERVL and RNA velocity diverging three major population regions with genetic expression resembling pluripotent epiblast (EPI), primitive endoderm (PE), and trophectoderm (TE). Enrichment of those three BC-like cell fates involved key regulons, zygotic genome activation (ZGA) related genes, specific RNA splicing, and select cells meaningfully distinguished critical regulons of model cells. This analysis confirms the induction of the extraembryonic cell populations during the reprogramming and we anticipate that our unique BCLH SES and rich data may uncover new facets of cell potency, improve developmental biology, and help biomedicine advance.

SUMMARY Regenerative medicine relies on basic research to find safe and useful outcomes that are only practical when cost-effective. The human eyeball requires the retinal pigment epithelium (RPE) for support and maintenance that interfaces the neural retina and the choroid at large. Nearly 200 million people suffer from age-related macular degeneration (AMD), a blinding multifactor genetic disease among other retinal pathologies related to RPE degradation. Recently, autologous pluripotent stem cell-derived RPE cells were prohibitively expensive due to time, therefore we developed a new simplified cell reprogramming system. We stably induced RPE-like cells (iRPE) from human fibroblasts by conditional overexpression of broad plasticity and lineage-specific pioneering transcription factors. iRPE cells showed features of modern RPE benchmarks and significant in-vivo integration in transplanted chimeric hosts. Herein, we detail the iRPE system with comprehensive modern single-cell RNA (scRNA) sequencing profiling to interpret and characterize its best cells. We anticipate that our system may enable robust retinal cell induction for regenerative medicine research and affordable autologous human RPE tissue for cell therapy.

Soon after fertilization, the few totipotent cells of mammalian embryos diverge to form a structure called the blastocyst (BC). Although numerous types of cells, including germ cells and extended pluripotency stem cells, have been generated from pluripotent stem cells (PSCs) in-vitro, generating functional BCs only from PSCs has not yet been reported. Here we describe induced self-organizing 3D BC-like structures (iBCs) generated from mouse PSC culture in-vitro. Resembling natural BCs, iBCs have a blastocoel-like cavity and were formed with outer cells that are positive for trophectoderm lineage markers and with inner cells that are positive for pluripotency markers. iBCs transplanted to pseudopregnant mice uteruses implanted, induced decidualization, and exhibited growth and development before resorption, demonstrating that iBCs are implantation-competent. iBC production required the transcription factor Prdm14 and iBC precursor intermediates concomitantly activate the MERVL totipotency related cleavage stage reporter. Thus, our system may contribute to understanding molecular mechanisms underpinning totipotency, embryogenesis, and implantation.