Jorge Ferrer, Jason Lieb, and Karen Mohlke and colleagues identify regulatory DNA active in human pancreatic islets by formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements (FAIRE) coupled with high-throughput sequencing. They identified 80,000 open chromatin sites and 3,300 islet-selective open chromatin sites and found that a TCF7L2 intronic variant associated with type 2 diabetes is located in islet-selective open chromatin. Tissue-specific transcriptional regulation is central to human disease1. To identify regulatory DNA active in human pancreatic islets, we profiled chromatin by formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements2,3,4 coupled with high-throughput sequencing (FAIRE-seq). We identified ∼80,000 open chromatin sites. Comparison of FAIRE-seq data from islets to that from five non-islet cell lines revealed ∼3,300 physically linked clusters of islet-selective open chromatin sites, which typically encompassed single genes that have islet-specific expression. We mapped sequence variants to open chromatin sites and found that rs7903146, a TCF7L2 intronic variant strongly associated with type 2 diabetes5, is located in islet-selective open chromatin. We found that human islet samples heterozygous for rs7903146 showed allelic imbalance in islet FAIRE signals and that the variant alters enhancer activity, indicating that genetic variation at this locus acts in cis with local chromatin and regulatory changes. These findings illuminate the tissue-specific organization of cis-regulatory elements and show that FAIRE-seq can guide the identification of regulatory variants underlying disease susceptibility.

Jorge Ferrer and colleagues have mapped regulatory SNP variants associated in GWAS with type 2 diabetes risk and glycemic traits to large clusters of enhancer elements regulating the transcriptional identity of pancreatic β cells via a highly connected transcription factor network. Type 2 diabetes affects over 300 million people, causing severe complications and premature death, yet the underlying molecular mechanisms are largely unknown. Pancreatic islet dysfunction is central in type 2 diabetes pathogenesis, and understanding islet genome regulation could therefore provide valuable mechanistic insights. We have now mapped and examined the function of human islet cis-regulatory networks. We identify genomic sequences that are targeted by islet transcription factors to drive islet-specific gene activity and show that most such sequences reside in clusters of enhancers that form physical three-dimensional chromatin domains. We find that sequence variants associated with type 2 diabetes and fasting glycemia are enriched in these clustered islet enhancers and identify trait-associated variants that disrupt DNA binding and islet enhancer activity. Our studies illustrate how islet transcription factors interact functionally with the epigenome and provide systematic evidence that the dysregulation of islet enhancers is relevant to the mechanisms underlying type 2 diabetes.

A significant portion of the genome is transcribed as long noncoding RNAs (lncRNAs), several of which are known to control gene expression. The repertoire and regulation of lncRNAs in disease-relevant tissues, however, has not been systematically explored. We report a comprehensive strand-specific transcriptome map of human pancreatic islets and β cells, and uncover >1100 intergenic and antisense islet-cell lncRNA genes. We find islet lncRNAs that are dynamically regulated and show that they are an integral component of the β cell differentiation and maturation program. We sequenced the mouse islet transcriptome and identify lncRNA orthologs that are regulated like their human counterparts. Depletion of HI-LNC25, a β cell-specific lncRNA, downregulated GLIS3 mRNA, thus exemplifying a gene regulatory function of islet lncRNAs. Finally, selected islet lncRNAs were dysregulated in type 2 diabetes or mapped to genetic loci underlying diabetes susceptibility. These findings reveal a new class of islet-cell genes relevant to β cell programming and diabetes pathophysiology.

Genetic studies promise to provide insight into the molecular mechanisms underlying type 2 diabetes (T2D). Variants associated with T2D are often located in tissue-specific enhancer clusters or super-enhancers. So far, such domains have been defined through clustering of enhancers in linear genome maps rather than in three-dimensional (3D) space. Furthermore, their target genes are often unknown. We have created promoter capture Hi-C maps in human pancreatic islets. This linked diabetes-associated enhancers to their target genes, often located hundreds of kilobases away. It also revealed >1,300 groups of islet enhancers, super-enhancers and active promoters that form 3D hubs, some of which show coordinated glucose-dependent activity. We demonstrate that genetic variation in hubs impacts insulin secretion heritability, and show that hub annotations can be used for polygenic scores that predict T2D risk driven by islet regulatory variants. Human islet 3D chromatin architecture, therefore, provides a framework for interpretation of T2D genome-wide association study (GWAS) signals. Promoter capture Hi-C maps in human pancreatic islets identify more than 1,300 three-dimensional regulatory hubs, linking diabetes-associated enhancers to their target genes. Genetic variation in hubs impacts insulin secretion heritability.

Insulinomas are rare neuroendocrine tumours arising from the pancreatic beta-cells. While retaining the ability to produce insulin, insulinomas feature aberrant proliferation and altered hormone secretion resulting in failure to maintain glucose homeostasis. With the aim of uncovering the role of noncoding regulatory regions and their aberrations to the development of these tumors, we coupled epigenetic and gene expression profiling with whole-genome sequencing. As a result, we mapped H3K27ac sites in the tumoral tissue and unraveled overlapping somatic mutations associated with changes in regulatory functions. Critically, these regions impact insulin secretion, tumor development and epigenetic modifying genes, including key components of the polycomb complex. Chromatin remodeling is apparent as insulinoma-selective regions are mostly clustered in regulatory domains, shared across patients and containing a specific set of regulatory sequences dominated by the binding motif of the transcription factor SOX17. Moreover, a large fraction of these regions are H3K27me3-repressed in unaffected beta-cells, suggesting that tumoral transition is coupled with derepression of beta-cell polycomb-targeted domains. Our work provides a compendium of aberrant cis-regulatory elements and transcription factors that alter beta-cell function and fate in their progression to pancreatic neuroendocrine tumors and a framework to identify coding and noncoding driver mutations.

ABSTRACT Background and aims Pancreatic ducts form an intricate network of tubules that secrete bicarbonate and drive acinar secretions into the duodenum. This network is formed by centroacinar cells, terminal, intercalated, intracalated ducts, and the main pancreatic duct. Ductal heterogeneity at the single-cell level has been poorly characterized; therefore, our understanding of the role of ductal cells in pancreas regeneration and exocrine pathogenesis has been hampered by the limited knowledge and unexplained diversity within the ductal network. Methods We used scRNA-seq to comprehensively characterize mouse ductal heterogeneity at single-cell resolution of the entire ductal epithelium from centroacinar cells to the main duct. Moreover, we used organoid cultures, injury models and pancreatic tumor samples to interrogate the role of novel ductal populations in pancreas regeneration and exocrine pathogenesis. Results We have identified the coexistence of 15 ductal populations within the healthy pancreas and characterized their organoid formation capacity and endocrine differentiation potential. Cluster isolation and subsequent culturing let us identify ductal cell populations with high organoid formation capacity and endocrine and exocrine differentiation potential in vitro , including Wnt-responsive-population, ciliated-population and FLRT3 + cells. Moreover, we have characterized the location of these novel ductal populations in healthy pancreas, chronic pancreatitis, and tumor samples, highlighting a putative role of WNT-responsive, IFN-responsive and EMT-populations in pancreatic exocrine pathogenesis as their expression increases in chronic pancreatitis and PanIN lesions. Conclusions In light of our discovery of previously unidentified ductal populations, we unmask the potential roles of specific ductal populations in pancreas regeneration and exocrine pathogenesis.

Recent studies have uncovered thousands of long non-coding RNAs (lncRNAs) in human pancreatic β cells. β cell lncRNAs are often cell type-specific, and exhibit dynamic regulation during differentiation or upon changing glucose concentrations. Although these features hint at a role of lncRNAs in β cell gene regulation and diabetes, the function of β cell lncRNAs remains largely unknown. In this study, we investigated the function of β cell-specific lncRNAs and transcription factors using transcript knockdowns and co-expression network analysis. This revealed lncRNAs that function in concert with transcription factors to regulate β cell-specific transcriptional networks. We further demonstrate that lncRNA PLUTO affects local three-dimensional chromatin structure and transcription of PDX1, encoding a key β cell transcription factor, and that both PLUTO and PDX1 are downregulated in islets from donors with type 2 diabetes or impaired glucose tolerance. These results implicate lncRNAs in the regulation of β cell-specific transcription factor networks.

Genetic studies promise to provide insight into the molecular mechanisms underlying type 2 diabetes (T2D). Variants associated with T2D are often located in tissue-specific enhancer regions (enhancer clusters, stretch enhancers or super-enhancers). So far, such domains have been defined through clustering of enhancers in linear genome maps rather than in 3D-space. Furthermore, their target genes are generally unknown. We have now created promoter capture Hi-C maps in human pancreatic islets. This linked diabetes-associated enhancers with their target genes, often located hundreds of kilobases away. It further revealed sets of islet enhancers, super-enhancers and active promoters that form 3D higher-order hubs, some of which show coordinated glucose-dependent activity. Hub genetic variants impact the heritability of insulin secretion, and help identify individuals in whom genetic variation of islet function is important for T2D. Human islet 3D chromatin architecture thus provides a framework for interpretation of T2D GWAS signals.

Early stages of type 1 diabetes (T1D) are characterized by local autoimmune inflammation and progressive loss of insulin-producing pancreatic β cells. We show here that exposure to pro-inflammatory cytokines unmasks a marked plasticity of the β-cell regulatory landscape. We expand the repertoire of human islet regulatory elements by mapping stimulus-responsive enhancers linked to changes in the β-cell transcriptome, proteome and 3D chromatin structure. Our data indicates that the β cell response to cytokines is mediated by the induction of novel regulatory regions as well as the activation of primed regulatory elements pre-bound by islet-specific transcription factors. We found that T1D-associated loci are enriched of the newly mapped cis-regulatory regions and identify T1D-associated variants disrupting cytokine-responsive enhancer activity in human β cells. Our study illustrates how β cells respond to a pro-inflammatory environment and implicate a role for stimulus-response islet enhancers in T1D.

SUMMARY The intricate etiology of type 1 diabetes mellitus (T1DM), marked by a detrimental cross-talk between the immune system and insulin-producing β-cells, has impeded effective disease-modifying therapies. The discovery that pharmacological activation of the nuclear receptor LRH-1/NR5A2 can reverse hyperglycemia in mouse models of T1DM by attenuating the autoimmune attack coupled to β-cell survival/regeneration, prompted us to investigate whether immune tolerization could be achieved in individuals with T1DM by LRH-1/NR5A2 activation as well as improving islet function/survival subsequent to xenotransplantation. Pharmacological activation of LRH-1/NR5A2 induced a coordinated immunometabolic reprogramming of T1DM macrophages and dendritic cells, shifting them from a pro- to an anti-inflammatory/tolerogenic phenotype. Regulatory T-cells were also expanded resulting in the impediment of cytotoxic T-cell proliferation. LRH-1/NR5A2 activation enhanced human islet engraftment and function in hyperglycemic immunocompetent mice, leading to improved glycemia. These findings demonstrate the feasibility of re-establishing immune tolerance within a pro-inflammatory environment, opening a new therapeutic venue for T1DM.