ABSTRACT Background Activation of stress pathways intrinsic to the β cell are thought to both accelerate β cell death and increase β cell immunogenicity in type 1 diabetes (T1D). However, information on the timing and scope of these responses is lacking. Methods To identify temporal and disease-related changes in islet β cell protein expression, data independent acquisition-mass spectrometry was performed on islets collected longitudinally from NOD mice and NOD-SCID mice rendered diabetic through T cell adoptive transfer. Findings In islets collected from female NOD mice at 10, 12, and 14 weeks of age, we found a time-restricted upregulation of proteins involved in the maintenance of β cell function and stress mitigation, followed by loss of expression of protective proteins that heralded diabetes onset. Pathway analysis identified EIF2 signaling and the unfolded protein response, mTOR signaling, mitochondrial function, and oxidative phosphorylation as commonly modulated pathways in both diabetic NOD mice and NOD-SCID mice rendered acutely diabetic by adoptive transfer, highlighting this core set of pathways in T1D pathogenesis. In immunofluorescence validation studies, β cell expression of protein disulfide isomerase A1 (PDIA1) and 14-3-3b were found to be increased during disease progression in NOD islets, while PDIA1 plasma levels were increased in pre-diabetic NOD mice and in the serum of children with recent-onset T1D compared to age and sex-matched non-diabetic controls. Interpretation We identified a common and core set of modulated pathways across distinct mouse models of T1D and identified PDIA1 as a potential human biomarker of β cell stress in T1D.

ABSTRACT Macrophages and related myeloid cells are innate immune cells that participate in the early islet inflammation of type 1 diabetes (T1D). The inflammatory signals and antigen presentation by these cells may be inducers of the adaptive immune response that is the hallmark of T1D. The enzyme 12-lipoxygenase (12-LOX) catalyzes the formation of pro-inflammatory eicosanoids from membrane-derived phospholipids, but its role and mechanisms in the pathogenesis of islet inflammation have not been elucidated. Leveraging a model of T1D-like islet inflammation in zebrafish, we show here that macrophages contribute significantly to the loss of β-cells and the subsequent development of hyperglycemia. Depletion or inhibition of 12-LOX in this model resulted in significantly reduced macrophage infiltration into islets with preservation of β-cell mass. In mice, we deleted the gene encoding 12-LOX ( Alox15 ) in the myeloid lineage in the non-obese diabetic (NOD) model of T1D. Myeloid cell-specific Alox15 knockout NOD mice demonstrated reduced insulitis and T-cell responses, preserved β cell mass, and almost complete protection from the development of T1D. A critical effect of 12-LOX depletion appeared secondary to a defect in myeloid cell migration, a function required for immune surveillance and tissue injury responses. This effect on migration appeared to be secondary to the loss of the chemokine receptor CXCR3. Transgenic expression of the gene encoding CXCR3 rescued the migrator defect in zebrafish 12-LOX morphants. Taken together, our results reveal a formative role for innate immune myeloid cells in the early pathogenesis of T1D and identify 12-LOX as a necessary enzyme to promote their pro-diabetogenic phenotype in the context of autoimmunity.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) play important roles in cell-to-cell communication and are potential biomarkers as they carry markers of their derived tissues and disease signatures. However, obtaining pure EV preparations from biofluids is challenging due to contaminants with similar physicochemical properties. Here, we performed a meta-analysis of plasma EV proteomics data deposited in public repositories to refine the protein composition of EVs and investigate potential roles in type 1 diabetes development. With the concept that each purification method yields different proportions of distinct contaminants, we grouped proteins into clusters based on their abundance profiles. This allowed us to separate clusters with classical EV markers, such as CD9, CD40, C63 and CD81, from clusters of well-known contaminants, such as serum albumin, apolipoproteins and components of the complement and coagulation pathways. Two clusters containing a total of 1720 proteins combined were enriched with EV markers and depleted in common contaminants; therefore, they were considered to contain bona fide EV components. As possible origins of plasma EVs, these clusters had markers of tissues such as spleen, liver, brain, lungs, pancreas, and blood/immune cells. These clusters were also enriched in cell surface markers CD antigens, and proteins from cell-to-cell communication and signaling pathways, such as chemokine signaling and antigen presentation. We also show that the EV component and type 1 diabetes biomarker, platelet basic protein (PPBP/CXCL7) regulates apoptosis in both beta and macrophage cell lines. Overall, our meta-analysis refined the composition of plasma EVs, reinforcing a primary function as messengers for cell-to-cell communication and signaling. Furthermore, this analysis identifies optimal avenues to target EVs for development of disease biomarkers.

Abstract Eukaryotic initiation factor 5A (eIF5A) is an essential factor with a unique amino acid, hypusine, required for its activity. Hypusine is formed exclusively in eIF5A by a post-translational modification involving two enzymes, deoxyhypusine synthase (DHPS) and deoxyhypusine hydroxylase (DOHH). Each of the three genes, Eif5a, Dhps or Dohh is required for mouse embryonic development. Variants in EIF5A or DHPS were recently identified as the genetic basis underlying certain rare neurodevelopmental disorders in humans. To investigate the roles of eIF5A and DHPS in brain development, we have generated four conditional knockout mouse strains using the Emx1 - Cre or Camk2a - Cre strain and examined the effects of temporal- and region-specific deletion of Eif5a or Dhps . The conditional deletion of Dhps or Eif5a by Emx1 promotor driven Cre expression (E.9.5, cortex and hippocampus) led to gross defects in forebrain development, reduced growth and premature death. On the other hand, the conditional deletion of Dhps or Eif5a by Camk2a -promoter driven Cre expression (postnatal, mainly in the CA1 region of hippocampus) did not lead to global developmental defects; rather, these knockout animals exhibited severe impairment in spatial learning, contextual learning and memory, when subjected to the Morris Water Maze test and a contextual learning test. In both models, the Dhps knockout mice displayed more severe impairment than their Eif5a knockout counterparts. The observed defects in brain, global development or cognitive functions most likely result from translation errors due to a deficiency in active, hypusinated eIF5A. Our study underscores the important roles of eIF5A and DHPS in neurodevelopment. Significance eIF5A, an essential translation factor, is the only protein that undergoes a unique posttranslational modification, that converts lysine to hypusine by conjugation of the aminobutyl moiety from the polyamine spermidine. Hypusine biosynthesis occurs by two enzymatic steps involving deoxyhypusine synthase (DHPS) and deoxyhypusine hydroxylase (DOHH). Mutations in EIF5A or DHPS have been associated with rare neurodevelopmental disorders in humans. To understand the mechanisms underlying the pathogenesis of the disease, we generated mutant mice with brain-specific deletions of Eif5a or Dhps . The Eif5a and Dhps conditional knockout mice exhibited impairment in brain development, growth and cognitive functions. These animal models may serve as useful tools in the development of therapies against the eIF5A- or DHPS-associated neurodevelopmental disorders.

The spatial architecture of the islets of Langerhans is hypothesized to facilitate synchronized insulin secretion between β cells, yet testing this in vivo in the intact pancreas is challenging. Robo βKO mice, in which the genes Robo1 and Robo2 are deleted selectively in β cells, provide a unique model of altered islet architecture without loss of β cell differentiation or islet damage from diabetes. Combining Robo βKO mice with intravital microscopy, we show here that Robo βKO islets lose synchronized intra-islet Ca2+ oscillations between β cells in vivo. We provide evidence that this loss is not due to a β cell-intrinsic function of Robo, loss of Connexin36 gap junctions, or changes in islet vascularization, suggesting that the islet architecture itself is required for synchronized Ca2+ oscillations. These results will have implications for understanding structure-function relationships in the islets during progression to diabetes as well as engineering islets from stem cells.

Work by our group and others has suggested that elevations in circulating proinsulin relative to C-peptide is associated with development of Type 1 diabetes (T1D). We recently described the persistence of detectable serum proinsulin in a large majority (95.9%) of individuals with longstanding T1D, including individuals with undetectable serum C-peptide. Here we describe analyses performed on human pancreatic sections from the nPOD collection (n=30) and isolated human islets (n=10) to further explore mechanistic etiologies of persistent proinsulin secretion in T1D. Compared to nondiabetic controls, immunostaining among a subset (4/9) of insulin positive T1D donor islets revealed increased numbers of cells with proinsulin-enriched, insulin-poor staining. Laser capture microdissection followed by mass spectrometry revealed reductions in the proinsulin processing enzymes prohormone convertase 1/3 (PC1/3) and carboxypeptidase E (CPE) in T1D donors. Twenty-four hour treatment of human islets with an inflammatory cytokine cocktail reduced mRNA expression of the processing enzymes PC1/3, PC2, and CPE. Taken together, these data provide new mechanistic insight into altered proinsulin processing in long-duration T1D and suggest that reduced β cell prohormone processing is associated with proinflammatory cytokine-induced reductions in proinsulin processing enzyme expression.

Metabolic programs contribute to hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) fate but it is not known whether the metabolic regulation of protein synthesis controls HSPC differentiation. We discovered that SLC7A1/CAT1-dependent arginine uptake and its catabolism to spermidine control the erythroid specification of HSPCs via activation of eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A). eIF5A activity is dependent on the metabolism of spermidine to hypusine and inhibiting hypusine synthesis abrogates erythropoiesis and diverts EPO-stimulated HSPCs to a myeloid fate. Proteomic profiling reveals mitochondrial translation to be a critical target of hypusinated eIF5A and induction of mitochondrial function partially rescues erythropoiesis in the absence of hypusine. Within the hypusine network, ribosomal proteins are highly enriched and we identify defective eIF5A hypusination in erythroid pathologies caused by abnormal ribosome biogenesis. Thus, eIF5A-dependent protein synthesis is critical in the branching of erythro-myeloid differentiation and attenuated eIF5A activity characterizes ribosomal protein-linked disorders of ineffective erythropoiesis.

Impaired function and apoptosis of insulin-secreting islet β-cells is central to disease progression in both type 1 and type 2 diabetes. Oxidative damage resulting from excess reactive oxygen species (ROS) is a central factor in β-cell dysfunction and death, but the dynamic nature of ROS accumulation and its depletion pose a problem for mechanistic studies in vivo. Biosensors, including the redox-sensitive GFP (roGFPs), coupled with intravital microscopy provide a sensitive and dynamic solution to this problem. Here, we utilize a virally-delivered roGFP2-containing human glutaredoxin-1 (Grx1-roGFP2) to selectively monitor β-cell ROS dynamics in vivo in response to toxic glucose analogs. We paired viral biosensor delivery with implanted abdominal imaging windows over the pancreas, thus allowing longitudinal measurements of β-cell ROS and islet area during and after streptozotocin (STZ) exposure. The studies presented here represent a robust experimental platform that could be readily adapted to various transgenic or physiological mouse models in conjunction with any number of available biosensors, and thus opens a vast realm of potential for discovery in islet biology in vivo.

Eukaryotic initiation factor 5A (EIF5A) is found in diabetes-susceptibility loci in mouse and human. eIF5A is the only protein known to contain hypusine (hydroxyputrescine lysine), a polyamine-derived amino acid formed post-translationally in a reaction catalyzed by deoxyhypusine synthase (DHPS). Previous studies showed pharmacologic blockade of DHPS in type 1 diabetic NOD mice and type 2 diabetic db/db mice improved glucose tolerance and preserved beta-cell mass, which suggests that hypusinated eIF5A (eIF5AHyp) may play a role in diabetes pathogenesis by direct action on the beta cells and/or altering the adaptive or innate immune responses. To translate these findings to human, we examined tissue from individuals with and without type 1 and type 2 diabetes to determine the expression of eIF5AHyp. We detected eIF5AHyp in beta cells, exocrine cells and immune cells; however, there was also unexpected enrichment of eIF5AHyp in pancreatic polypeptide-expressing PP cells. Interestingly, the presence of eIF5AHyp co-expressing PP cells was not enhanced with disease. These data identify new aspects of eIF5A biology and highlight the need to examine human tissue to understand disease.

We report the use of pulsed interleaved excitation-fluorescence lifetime imaging microscopy (PIE-FLIM) to measure the activities of two different biosensor probes simultaneously in single living cells. Many genetically encoded biosensors rely on the measurement of Förster resonance energy transfer (FRET) to detect changes in biosensor conformation that accompany the targeted cell signaling event. One of the most robust ways of quantifying FRET is to measure changes in the fluorescence lifetime of the donor fluorophore using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). The study of complex signaling networks in living cells demands the ability to track more than one of these cellular events at the same time. Here, we demonstrate how PIE-FLIM can separate and quantify the signals from different FRET-based biosensors to simultaneously measure changes in the activity of two cell signaling pathways in the same living cells in tissues. The imaging system described here uses selectable laser wavelengths and synchronized detection gating that can be tailored and optimized for each FRET pair. Proof-of-principle studies showing simultaneous measurement of cytosolic calcium and protein kinase A activity are shown, but the PIE-FLIM approach is broadly applicable to other signaling pathways.