Dynamics of axial polarization in embyonic stem cells aggregates and the evolution of body axis establishment

Abstract

Across metazoans, minimal in vitro systems from embryonic stem cells (ESCs) recapitulate the establishment of a body plan, particularly the anteroposterior (AP) axis. In contrast to actual embryos that generally require extraembryonic or maternally deposited signals, ESC aggregates undergo initial patterning in the absence of localized, external cues. We propose that such observations may reflect a basal capacity of ESCs that we summarize as a conserved developmental mode. To dissect the framework of AP axis establishment in a minimal system, we leverage gastruloids from mouse ESCs. We hence discover that alternate germ layer differentiation trajectories between in vivo and in vitro may converge onto similar cell fates. Furthermore, we delineate the robustness of this developmental mode of gastruloids by modifying the state of the initial ESC population and comparatively assessing AP polarization dynamics. Altogether, our findings may serve to inform inherent modes of patterning that underlie embryonic development.

En metazous, l’agregació de poques cèl·lules mare embrionàries (CME) in vitro recapitula l'establiment d'un pla corporal bàsic, en particular l'eix anteroposterior (AP). A diferència dels embrions reals els quals requereixen de senyals externes, els agregats de CME són capaços d’adquirir patrons d’expressió gènica fins i tot en l’absència de morfògens externs. Proposem que aquest fenomen és fruit d’una capacitat inherent de les CME la qual reflecteix un mode de desenvolupament conservat.

Per a estudiar la generació de l’eix AP in vitro, hem escollit gastruloids derivats de CME de ratolí. Mostrem que trajectòries de diferenciació cel·lular alternatives in vivo i in vitro convergeixen a destins cel·lulars similars. Addicionalment, explorem la variabilitat i robustesa dels modes de desenvolupament dels gastruloids modificant el grau de pluripotencia de la població inicial de CME, estudiant comparativament la dinàmica de polarització. Finalment, els nostres resultats poden servir per a entendre modes inherents de generació de patrons.