The initiation of X-chromosome inactivation is thought to be tightly correlated with early differentiation events during mouse development. Here, we show that although initially active, the paternal X chromosome undergoes imprinted inactivation from the cleavage stages, well before cellular differentiation. A reversal of the inactive state, with a loss of epigenetic marks such as histone modifications and polycomb proteins, subsequently occurs in cells of the inner cell mass (ICM), which give rise to the embryo-proper in which random X inactivation is known to occur. This reveals the remarkable plasticity of the X-inactivation process during preimplantation development and underlines the importance of the ICM in global reprogramming of epigenetic marks in the early embryo.

Mechanisms underlying human germ cell development are unclear, partly due to difficulties in studying human embryos and lack of suitable experimental systems. Here, we show that human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) differentiate into incipient mesoderm-like cells (iMeLCs), which robustly generate human primordial germ cell-like cells (hPGCLCs) that can be purified using the surface markers EpCAM and INTEGRINα6. The transcriptomes of hPGCLCs and primordial germ cells (PGCs) isolated from non-human primates are similar, and although specification of hPGCLCs and mouse PGCs rely on similar signaling pathways, hPGCLC specification transcriptionally activates germline fate without transiently inducing eminent somatic programs. This includes genes important for naive pluripotency and repression of key epigenetic modifiers, concomitant with epigenetic reprogramming. Accordingly, BLIMP1, which represses somatic programs in mice, activates and stabilizes a germline transcriptional circuit and represses a default neuronal differentiation program. Together, these findings provide a foundation for understanding and reconstituting human germ cell development in vitro.

X-chromosome inactivation is an essential process in female mammals that compensates for the presence of two X-chromosomes by suppressing gene expression from one of them. A study of the early developmental time course of X-chromosome inactivation in mice, rabbits and humans shows that the processes in mice, in which most of previous analyses have been done, differ significantly from those in other eutherian species. The study highlights a diversity in X-inactivation regulation that may reflect the changing nature of developmental processes during evolution. X-chromosome inactivation (XCI) in female mammals allows dosage compensation for X-linked gene products between the sexes1. The developmental regulation of this process has been extensively investigated in mice, where the X chromosome of paternal origin (Xp) is silenced during early embryogenesis owing to imprinted expression of the regulatory RNA, Xist (X-inactive specific transcript). Paternal XCI is reversed in the inner cell mass of the blastocyst and random XCI subsequently occurs in epiblast cells. Here we show that other eutherian mammals have very different strategies for initiating XCI. In rabbits and humans, the Xist homologue is not subject to imprinting and XCI begins later than in mice. Furthermore, Xist is upregulated on both X chromosomes in a high proportion of rabbit and human embryo cells, even in the inner cell mass. In rabbits, this triggers XCI on both X chromosomes in some cells. In humans, chromosome-wide XCI has not initiated even by the blastocyst stage, despite the upregulation of XIST. The choice of which X chromosome will finally become inactive thus occurs downstream of Xist upregulation in both rabbits and humans, unlike in mice. Our study demonstrates the remarkable diversity in XCI regulation and highlights differences between mammals in their requirement for dosage compensation during early embryogenesis.

The extra-embryonic endoderm lineage plays a major role in the nutritive support of the embryo and is required for several inductive events, such as anterior patterning and blood island formation. Blastocyst-derived embryonic stem (ES) and trophoblast stem (TS) cell lines provide good models with which to study the development of the epiblast and trophoblast lineages,respectively. We describe the derivation and characterization of cell lines that are representative of the third lineage of the blastocyst –extra-embryonic endoderm. Extra-embryonic endoderm (XEN) cell lines can be reproducibly derived from mouse blastocysts and passaged without any evidence of senescence. XEN cells express markers typical of extra-embryonic endoderm derivatives, but not those of the epiblast or trophoblast. Chimeras generated by injection of XEN cells into blastocysts showed exclusive contribution to extra-embryonic endoderm cell types. We used female XEN cells to investigate the mechanism of X chromosome inactivation in this lineage. We observed paternally imprinted X-inactivation, consistent with observations in vivo. Based on gene expression analysis, chimera studies and imprinted X-inactivation, XEN cell lines are representative of extra-embryonic endoderm and provide a new cell culture model of an early mammalian lineage.

PR-Set7/Set8/KMT5A is the sole enzyme known to catalyze monomethylation of histone H4 lysine 20 (H4K20) and is present only in multicellular organisms that compact a large fraction of their DNA. We found that mouse embryos that are homozygous null mutants for the gene PR-Set7 display early embryonic lethality prior to the eight-cell stage. Death was due to the absence of PR-Set7 catalytic activity, since microinjection of the wild type, but not a catalytically inactive version, into two-cell embryos rescued the phenotype. A lack of PR-Set7 activity resulted not only in depletion of H4K20me1 but also in reduced levels of the H4K20me2/3 marks catalyzed by the Suv4-20h1/h2 enzymes, implying that H4K20me1 may be essential for the function of these enzymes to ensure the dimethylated and trimethylated states. Embryonic stem cells that were inducibly deleted for PR-Set7 passed through an initial G(2)/M phase, but the progeny were defective at the subsequent S and G(2)/M phases, exhibiting a delay in their cell cycle, accumulation at G(2)/M, massive DNA damage, and improper mitotic chromosome condensation. Cell cycle analysis after synchronization indicated that the defects were a consequence of decreased H4K20me1 due to the absence of PR-Set7. Most importantly, the lack of H4K20me1 also resulted in defects in chromosome condensation in interphase nuclei. These results demonstrate the critical role of H4K20 monomethylation in mammals in a developmental context.

Reconstituting a human ovary Human pluripotent stem cells (hPSCs) have been induced into human primordial germ cell–like cells (hPGCLCs) in vitro, the first step toward human in vitro gametogenesis. Yamashiro et al. went a step closer to generating mature gametes by culturing hPSCs with mouse embryonic ovarian somatic cells in xenogeneic reconstituted ovaries (see the Perspective by Gill and Peters). Over a period of 4 months, hPGCLCs underwent hallmark epigenetic reprogramming and differentiated progressively into cells closely resembling human oogonia, an immediate embryonic precursor for human oocytes. This study creates opportunities for human germ cell research and provides a foundation for human in vitro gametogenesis. Science , this issue p. 356 ; see also p. 291