Abstract In diabetes, glucagon secretion from pancreatic α-cells is dysregulated. We examined α-cells from human donors and mice using combined electrophysiological, transcriptomic, and computational approaches. Rising glucose suppresses α-cell exocytosis by reducing P/Q-type Ca 2+ channel activity, and this is disrupted in type 2 diabetes (T2D). Upon high-fat-feeding of mice, α-cells shift towards a ‘β-cell-like’ electrophysiologic profile in concert with an up-regulation of the β-cell Na + channel isoform Scn9a and indications of impaired α-cell identity. In human α-cells we identify links between cell membrane properties and cell surface signalling receptors, mitochondrial respiratory complex assembly, and cell maturation. Cell type classification using machine learning of electrophysiology data demonstrates a heterogenous loss of ‘electrophysiologic identity’ in α-cells from donors with T2D. Indeed, a sub-set of α-cells with impaired exocytosis is defined by an enrichment in progenitor markers suggesting important links between α-cell maturation state and dysfunction in T2D. Key findings α-cell exocytosis is suppressed by glucose-dependent inhibition of P/Q-type Ca 2+ currents Dysfunction of α-cells in type 2 diabetes is associated with a ‘β-cell-like’ electrophysiologic signature Patch-seq links maturation state, the mitochondrial respiratory chain, and cell surface receptor expression to α-cell function α-cell dysfunction occurs preferentially in cells enriched in endocrine lineage markers

Population-level variation and mechanisms behind insulin secretion in response to carbohydrate, protein, and fat remain uncharacterized. We defined prototypical insulin secretion responses to three macronutrients in islets from 140 cadaveric donors, including those with type 2 diabetes. The majority of donors' islets exhibited the highest insulin response to glucose, moderate response to amino acid, and minimal response to fatty acid. However, 9% of donors' islets had amino acid responses, and 8% had fatty acid responses that were larger than their glucose-stimulated insulin responses. We leveraged this heterogeneity and used multi-omics to identify molecular correlates of nutrient responsiveness, as well as proteins and mRNAs altered in type 2 diabetes. We also examined nutrient-stimulated insulin release from stem cell-derived islets and observed responsiveness to fat but not carbohydrate or protein-potentially a hallmark of immaturity. Understanding the diversity of insulin responses to carbohydrate, protein, and fat lays the groundwork for personalized nutrition.

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.

SUMMARY Impaired insulin secretion in type 2 diabetes (T2D) is linked to reduced insulin granule docking, disorganization of the exocytotic site, and an impaired glucose-dependent facilitation of insulin exocytosis. We show in β-cells from 80 human donors that the glucose-dependent amplification of exocytosis is disrupted in T2D. Spatial analyses of granule fusion events, visualized by total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy, demonstrate that these are non-random across the surface of β-cells from donors with no diabetes (ND). The compartmentalization of events occurs within regions defined by concurrent or recent membrane-resident secretory granules. This organization, and the number of membrane-associated granules, is glucose-dependent and notably impaired in T2D β-cells. Mechanistically, multi-channel Kv2.1 clusters contribute to maintaining the density of membrane-resident granules and the number of fusion ‘hot spots’, while SUMOylation sites at the channel N-(K145) and C-terminus (K470) determine the relative proportion of fusion events occurring within these regions. Thus, a glucose-dependent compartmentalization of fusion, regulated in part by a structural role for Kv2.1, is disrupted in β-cells from donors with type 2 diabetes. HIGHLIGHTS Exocytosis of secretory granules is non-random across the surface of human β-cells, and this organization is disrupted in type 2 diabetes. Increasing glucose facilitates the spatial compartmentalization of fusion, independent of an overall increase in event frequency. Compartmentalized ‘hot spots’ occur at sites marked by membrane-associated granules, the density of which is regulated in part by a clustered K + channel (Kv2.1). SUMOylation status of the channel controls the proportion of events that occur within these local regions.

ABSTRACT Genome-wide association studies have identified hundreds of signals for type 2 diabetes (T2D), most of which confer risk through effects on gene expression. We previously identified the transcription factor ZMIZ1 as a probable effector transcript in human islets, but how altered ZMIZ1 expression impacts T2D risk is unknown. We now show that islets from carriers of the T2D-risk alleles have reduced islet insulin content and glucose-stimulated insulin secretion. To elucidate the mechanism for islet-cell dysfunction, we generated β-cell-specific Zmiz1 knockout (Zmiz1 βKO ) mice. Male and female Zmiz1 βKO mice were glucose intolerant with impaired insulin secretion, compared with control littermates. Transcriptomic profiling of Zmiz1 βKO islets identified over 500 differentially expressed genes including those involved in β-cell function and maturity which we confirmed at the protein level. After high fat feeding, Zmiz1 βKO mice fail to expand β-cell mass and become severely diabetic. Thus, Zmiz1 is required for normal glucose homeostasis and may contribute to T2D risk by maintaining a mature β-cell state and allowing islet mass expansion upon metabolic stress.

ABSTRACT Type 1 diabetes is characterized by the autoimmune destruction of insulin secreting β cells. Genetic variations upstream at the insulin ( INS ) locus contribute to ~10% of type 1 diabetes heritable risk. Multiple studies showed an association between rs3842753 C/C genotype and type 1 diabetes susceptibility, but the molecular mechanisms remain unclear. To date, no large-scale studies have looked at the effect of genetic variation at rs3842753 on INS mRNA at the single cell level. We aligned all human islet single cell RNA sequencing datasets available to us in 2020 to the reference genome GRCh38.98 and genotyped rs3842753, integrating 2315 β cells and 1223 β-like cells from 13 A/A protected donors, 23 A/C heterozygous donors, and 35 C/C at-risk donors, including adults without diabetes and with type 2 diabetes. INS expression mean and variance were significantly higher in single β cells from females compared with males. Comparing across β cells and β-like cells, we found that rs3842753 C containing cells (either homozygous or heterozygous) had the highest INS expression. We also found that β cells with the rs3842753 C allele had significantly higher ER stress marker gene expression compared to the A/A homozygous genotype. These findings support the emerging concept that inherited risk of type 1 diabetes may be associated with inborn, persistent elevated insulin production which may lead to β cell ER stress and fragility.

Abstract Pancreatic islets are highly interconnected structures that produce pulses of insulin and other hormones, maintaining normal homeostasis of glucose and other nutrients. Normal stimulus-secretion and intercellular coupling are essential to regulated secretory responses and these hallmarks are known to be altered in diabetes. In the present study, we used calcium imaging of isolated human islets to assess their collective cell behavior. The activity occurred in the form of calcium oscillations, was synchronized across different regions of islets through calcium waves, and was glucose-dependent: higher glucose enhanced the activity, elicited a greater proportion of global calcium waves, and led to denser and less fragmented functional networks. Hub regions were identified in stimulatory conditions, and they represented the most active islet regions. Moreover, calcium waves were found to be initiated in different subregions and the roles of initiators and hubs did not overlap. In type 2 diabetes, glucose-dependence was retained, but a reduced activity, locally restricted waves, and more segregated networks were detected compared with control islets. Interestingly, hub regions seemed to suffer the most by losing a disproportionately large fraction of connections. These changes affected islets from donors with diabetes in a heterogeneous manner.

The human endocrine pancreas must regulate glucose homeostasis throughout the human lifespan, which is generally decades. We performed meta-analysis of single-cell, RNA-sequencing datasets derived from 36 individuals, as well as functional analyses, to characterize age-associated changes to the major endocrine pancreatic cell types. Increasing age was associated with shifts in pancreatic alpha and beta cell identity and loss of nuclear integrity in non-diabetic humans. In non-diabetic individuals ≥ 50 years old, 80% of their beta cells exhibited a transcriptional signature similar to cells from type-2 diabetic (T2D) donors. Surprisingly, ~5% of beta cells from T2D donors retained a youthful, N.D. transcriptional profile. Furthermore, beta cell function was reduced by 50% during aging in men but not women, which may explain sex-associated differences in diabetes etiology. These analyses reveal that aging of the human endocrine pancreas is sex- and cell-type specific.

Molecular mechanisms underpinning the genetic risk for type 2 diabetes (T2D) remain poorly understood, hindering translation into new therapies. Recently, genome-wide studies identified two coding variants in Peptidylglycine Alpha-amidating Monooxygenase (PAM) associated with T2D risk and measures of beta cell dysfunction. Here, we demonstrate that both risk alleles impact negatively on overall PAM activity, but via distinct effects on expression and catalytic function. In a human beta cell model, PAM silencing caused decreased insulin content and altered dynamics of granule exocytosis. Analysis of primary human beta cells from cadaveric donors confirmed an effect on exocytosis in carriers of the p.D563G T2D-risk allele. Finally, we show that the granular packaging protein Chromogranin A is a PAM substrate and a strong candidate for mediating downstream effects on insulin secretion. Taken together, our results establish a role for PAM in beta cell function, and uncover a novel mechanism for T2D-associated PAM alleles.

Pancreatic islet cells regulate glucose homeostasis through insulin and glucagon secretion; dysfunction of these cells leads to severe diseases like diabetes. Prior single-cell transcriptome studies have shown heterogeneous gene expression in major islet cell-types; however it remains challenging to reconcile this transcriptomic heterogeneity with observed islet cell functional variation. Here we achieved electrophysiological profiling and single-cell RNA sequencing in the same islet cell (pancreas patch-seq) thereby linking transcriptomic phenotypes to physiologic properties. We collected 1,369 cells from the pancreas of donors with or without diabetes and assessed function-gene expression networks. We identified a set of genes and pathways that drive functional heterogeneity in β-cells and used these to predict β-cell electrophysiology. We also report specific transcriptional programs that correlate with dysfunction in type 2 diabetes (T2D) and extend this approach to cryopreserved cells from donors with type 1 diabetes (T1D), generating a valuable resource for understanding islet cell heterogeneity in health and disease.