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.

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.