Altered function and gene regulation of pancreatic islet beta cells is a hallmark of type 2 diabetes (T2D), but a comprehensive understanding of mechanisms driving T2D is still missing. Here we integrate information from measurements of chromatin activity, gene expression and function in single beta cells with genetic association data to identify disease-causal gene regulatory changes in T2D. Using machine learning on chromatin accessibility data from 34 non-diabetic, pre-T2D and T2D donors, we robustly identify two transcriptionally and functionally distinct beta cell subtypes that undergo an abundance shift in T2D. Subtype-defining active chromatin is enriched for T2D risk variants, suggesting a causal contribution of subtype identity to T2D. Both subtypes exhibit activation of a stress-response transcriptional program and functional impairment in T2D, which is likely induced by the T2D-associated metabolic environment. Our findings demonstrate the power of multimodal single-cell measurements combined with machine learning for identifying mechanisms of complex diseases.

Abstract Transcriptional and functional cellular specialization has been described for insulin-secreting β-cells of the endocrine pancreas. However, it is not clear whether β-cell heterogeneity is stable or reflects dynamic cellular states. We investigated the temporal kinetics of endogenous insulin gene activity using live cell imaging, with complementary experiments employing FACS and single cell RNA sequencing, in β-cells from Ins2 GFP knock-in mice. In vivo staining and FACS analysis of islets from Ins2 GFP mice confirmed that at a given moment, ~25% of β-cells exhibited significantly higher activity at the conserved insulin gene Ins2. Live cell imaging captured Ins2 gene activity dynamics in single β-cells over days. Autocorrelation analysis revealed a subset of cells with oscillating behavior, with mean oscillation periods of 17 hours. Increased glucose concentrations stimulated more cells to oscillate and resulted in higher average Ins2 gene activity per cell. Single cell RNA sequencing showed that Ins2 (GFP) HIGH β-cells were enriched for markers of β-cell maturity. Ins2 (GFP) HIGH β-cells were also significantly less viable at all glucose concentrations and in the context of ER stress. Collectively, our results demonstrate that the heterogeneity of insulin production, observed in mouse and human β-cells, can be accounted for by dynamic states of insulin gene activity. Blurb Previously reported pancreatic β-cell heterogeneity reflects β-cell state transitions.

Abstract Insulin receptor (Insr) protein can be found at higher levels in pancreatic β-cells than in most other tissues, but the consequences of β-cell insulin resistance remain enigmatic. Ins1 cre allele was used to delete Insr specifically in β-cells of both female and male mice. Experimental mice were compared to Ins1 cre -containing littermate controls at multiple ages and on multiple diets. RNA-seq of purified recombined β-cells revealed transcriptomic consequences of Insr loss, which differed between female and male mice. Action potential and calcium oscillation frequencies were increased in Insr knockout β- cells from female, but not male mice, whereas only male β Insr KO mice had reduced ATP-coupled oxygen consumption rate and reduced expression of genes involved in ATP synthesis. Female β Insr KO and β Insr HET mice exhibited elevated insulin release in perifusion experiments, during hyperglycemic clamps, and following i.p. glucose challenge. Deletion of Insr did not alter β-cell area up to 9 months of age, nor did it impair hyperglycemia-induced proliferation. Based on our data, we adapted a mathematical model to include β-cell insulin resistance, which predicted that β-cell Insr knockout would improve glucose tolerance depending on the degree of whole-body insulin resistance. Indeed, glucose tolerance was significantly improved in female β Insr KO and β Insr HET mice when compared to controls at 9, 21 and 39 weeks, and also in insulin-sensitive 4-week old males. We did not observe improved glucose tolerance in older male mice or in high fat diet-fed mice, corroborating the prediction that global insulin resistance obscures the effects of β-cell specific insulin resistance. The propensity for hyperinsulinemia was associated with mildly reduced fasting glucose and increased body weight. We further validated our main in vivo findings using the Ins1 -CreERT transgenic line and found that male mice had improved glucose tolerance 4 weeks after tamoxifen-mediated Insr deletion. Collectively, our data show that loss of β-cell Insr contributes to glucose-induced hyperinsulinemia, thereby improving glucose homeostasis in otherwise insulin sensitive dietary and age contexts.

Comprehensive molecular and cellular phenotyping of human islets can enable deep mechanistic insights for diabetes research. We established the Human Islet Data Analysis and Sharing (HI-DAS) consortium to advance goals in accessibility, usability, and integration of data from human islets isolated from donors with and without diabetes at the Alberta Diabetes Institute (ADI) IsletCore. Here we introduce HumanIslets.com, an open resource for the research community. This platform, which presently includes data on 547 human islet donors, allows users to access linked datasets describing molecular profiles, islet function and donor phenotypes, and to perform various statistical and functional analyses at the donor, islet and single-cell levels. As an example of the analytic capacity of this resource we show a dissociation between cell culture effects on transcript and protein expression, and an approach to correct for exocrine contamination found in hand-picked islets. Finally, we provide an example workflow and visualization that highlights links between type 2 diabetes status, SERCA3b Ca

Pancreas is a vital organ composed of exocrine and endocrine cells that aid digestion of food and regulate blood glucose levels. Perturbations in the function of pancreatic cells leads to the development of life-burdening and/or threatening diseases such as diabetes and pancreatic cancer. Thus, it is critical to understand the molecular check-points that maintain normal pancreas physiology. MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs involved in regulating gene expression in normal and diseased tissues. Several miRNAs have tissue-specific patterns consistent with crucial functions in many biological processes. Yet, there is limited knowledge about the role of pancreas-specific miRNAs in pancreatic pathologies. Here, we report that miR-216a is a conserved, pancreas-specific miRNA that is expressed in both endocrine and exocrine cells. Deletion of miR-216a in mice leads to reduced β-cell mass and a reduction in islet size under both chow and high-fat diet feeding conditions. We show that inhibition of miR-216a increases apoptosis and decreases cell proliferation in β- and exocrine cells. Smad7 is upregulated in miR-216a deficient islets and cell cycle and proliferation are among the most significantly regulated biological processes in miR-216 knockout pancreata. Re-introduction of miR-216a in the pancreatic cancer line, PANC-1, increases cell migration more than 2-fold. In vivo, deletion of miR-216a in the pancreatic cancer prone mouse line KrasG12D;Ptf1aCreER inhibits the propensity of pancreatic cancer precursor lesions. Our study identifies miR-216a as an important pancreas-specific miRNA which may have implications for both diabetes and pancreatic cancer.

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease characterised by T cell mediated destruction of pancreatic beta-cells. Islet transplantation is an effective therapy, but its success is limited by islet quality and availability along with the need for immunosuppression. New approaches include use of stem cell-derived insulin-producing cells and immunomodulatory therapies, but a limitation is the paucity of reproducible animal models in which interactions between human immune cells and insulin-producing cells can be studied without the complication of xenogeneic graft- versus -host disease (xGVHD).We expressed an HLA-A2-specific chimeric antigen receptor (A2-CAR) in human CD4+ and CD8+ T cells and tested their ability to reject HLA-A2+ islets transplanted under the kidney capsule or anterior chamber of the eye of immunodeficient mice. T cell engraftment, islet function and xGVHD were assessed longitudinally.The speed and consistency of A2-CAR T cells-mediated islet rejection varied depending on the number of A2-CAR T cells and the absence/presence of co-injected peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). When <3 million A2-CAR T cells were injected, co-injection of PBMCs accelerated islet rejection but also induced xGVHD. In the absence of PBMCs, injection of 3 million A2-CAR T cells caused synchronous rejection of A2+ human islets within 1 week and without xGVHD for 12 weeks.Injection of A2-CAR T cells can be used to study rejection of human insulin-producing cells without the complication of xGVHD. The rapidity and synchrony of rejection will facilitate in vivo screening of new therapies designed to improve the success of isletreplacement therapies.