In an effort to better understand the phenomenon of lipotoxicity in human β-cells, we evaluated the effects of 48-h preculture with 1.0 or 2.0 mmol/l free fatty acid (FFA) (2:1 oleate to palmitate) on the function and survival of isolated human islets and investigated some of the possible mechanisms. Compared with control islets, triglyceride content was significantly increased and insulin content and glucose-stimulated insulin release were significantly reduced in islets precultured with increased FFA concentrations. These changes were accompanied by a significant reduction of glucose utilization and oxidation. By cell death detection techniques, it was observed that exposure to FFAs induced a significant increase of the amount of dead cells. Electron microscopy showed the involvement of β-cells, with morphological appearance compatible with the presence of apoptotic phenomena. FFA-induced islet cell death was blocked by inhibition of upstream caspases and partially prevented by inhibiton of ceramide synthesis or serine protease activity, whereas inhibition of nitric oxide synthesis had no effect. RT-PCR studies revealed no major change of iNOS and Bax mRNA expression and a marked decrease of Bcl-2 mRNA expression in the islets cultured with FFA. Thus, prolonged exposure to FFAs has cytostatic and pro-apoptotic effects on human pancreatic β-cells. The cytostatic action is likely to be due to the FFA-induced reduction of intraislet glucose metabolism, and the proapoptotic effects are mostly caspase mediated, partially dependent on ceramide pathway, and possibly Bcl-2 regulated.

Type 1 diabetes is characterized by T cell-mediated autoimmune destruction of pancreatic β cells. Several studies have suggested an association between Coxsackie enterovirus seroconversion and onset of disease. However, a direct link between β cell viral infection and islet inflammation has not been established. We analyzed pancreatic tissue from six type 1 diabetic and 26 control organ donors. Immunohistochemical, electron microscopy, whole-genome ex vivo nucleotide sequencing, cell culture, and immunological studies demonstrated Coxsackie B4 enterovirus in specimens from three of the six diabetic patients. Infection was specific of β cells, which showed nondestructive islet inflammation mediated mainly by natural killer cells. Islets from enterovirus-positive samples displayed reduced insulin secretion in response to glucose and other secretagogues. In addition, virus extracted from positive islets was able to infect β cells from human islets of nondiabetic donors, causing viral inclusions and signs of pyknosis. None of the control organ donors showed signs of viral infection. These studies provide direct evidence that enterovirus can infect β cells in patients with type 1 diabetes and that infection is associated with inflammation and functional impairment.

Diabetes is associated with a deficit of insulin-producing β-cells. Animal studies show that β-cells become dedifferentiated in diabetes, reverting to a progenitor-like stage, and partly converting to other endocrine cell types. To determine whether similar processes occur in human type 2 diabetes, we surveyed pancreatic islets from 15 diabetic and 15 nondiabetic organ donors. We scored dedifferentiation using markers of endocrine lineage, β-cell-specific transcription factors, and a newly identified endocrine progenitor cell marker, aldehyde dehydrogenase 1A3. By these criteria, dedifferentiated cells accounted for 31.9% of β-cells in type 2 diabetics vs 8.7% in controls, and for 16.8% vs 6.5% of all endocrine cells (P < .001). The number of aldehyde dehydrogenase 1A3-positive/hormone-negative cells was 3-fold higher in diabetics compared with controls. Moreover, β-cell-specific transcription factors were ectopically found in glucagon- and somatostatin-producing cells of diabetic subjects. The data support the view that pancreatic β-cells become dedifferentiated and convert to α- and δ-“like” cells in human type 2 diabetes. The findings should prompt a reassessment of goals in the prevention and treatment of β-cell dysfunction.

To shed further light on the primary alterations of insulin secretion in type 2 diabetes and the possible mechanisms involved, we studied several functional and molecular properties of islets isolated from the pancreata of 13 type 2 diabetic and 13 matched nondiabetic cadaveric organ donors. Glucose-stimulated insulin secretion from type 2 diabetic islets was significantly lower than from control islets, whereas arginine- and glibenclamide-stimulated insulin release was less markedly affected. The defects were accompanied by reduced mRNA expression of GLUT1 and -2 and glucokinase and by diminished glucose oxidation. In addition, AMP-activated protein kinase activation was reduced. Furthermore, the expression of insulin was decreased, and that of pancreatic duodenal homeobox-1 (PDX-1) and forkhead box O1 (Foxo-1) was increased. Nitrotyrosine and 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine concentrations, markers of oxidative stress, were significantly higher in type 2 diabetic than control islets, and they were correlated with the degree of glucose-stimulated insulin release impairment. Accordingly, 24-h exposure to glutathione significantly improved glucose-stimulated insulin release and decreased nitrotyrosine concentration, with partial recovery of insulin mRNA expression. These results provide direct evidence that the defects of insulin secretion in type 2 diabetic islets are associated with multiple islet cell alterations. Most importantly, the current study shows that the functional impairment of type 2 diabetic islets can be, at least in part, reversible. In this regard, it is suggested that reducing islet cell oxidative stress is a potential target of human type 2 diabetes therapy.

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease in which pancreatic beta cells are killed by infiltrating immune cells and by cytokines released by these cells. Signaling events occurring in the pancreatic beta cells are decisive for their survival or death in diabetes. We have used RNA sequencing (RNA–seq) to identify transcripts, including splice variants, expressed in human islets of Langerhans under control conditions or following exposure to the pro-inflammatory cytokines interleukin-1β (IL-1β) and interferon-γ (IFN-γ). Based on this unique dataset, we examined whether putative candidate genes for T1D, previously identified by GWAS, are expressed in human islets. A total of 29,776 transcripts were identified as expressed in human islets. Expression of around 20% of these transcripts was modified by pro-inflammatory cytokines, including apoptosis- and inflammation-related genes. Chemokines were among the transcripts most modified by cytokines, a finding confirmed at the protein level by ELISA. Interestingly, 35% of the genes expressed in human islets undergo alternative splicing as annotated in RefSeq, and cytokines caused substantial changes in spliced transcripts. Nova1, previously considered a brain-specific regulator of mRNA splicing, is expressed in islets and its knockdown modified splicing. 25/41 of the candidate genes for T1D are expressed in islets, and cytokines modified expression of several of these transcripts. The present study doubles the number of known genes expressed in human islets and shows that cytokines modify alternative splicing in human islet cells. Importantly, it indicates that more than half of the known T1D candidate genes are expressed in human islets. This, and the production of a large number of chemokines and cytokines by cytokine-exposed islets, reinforces the concept of a dialog between pancreatic islets and the immune system in T1D. This dialog is modulated by candidate genes for the disease at both the immune system and beta cell level.

Pancreatic beta cells have highly developed endoplasmic reticulum (ER) due to their role in insulin secretion. Since ER stress has been associated with beta cell dysfunction, we studied several features of beta cell ER in human type 2 diabetes. Pancreatic samples and/or isolated islets from non-diabetic controls (ND) and type 2 diabetes patients were evaluated for insulin secretion, apoptosis (electron microscopy and ELISA), morphometric ER assessment (electron microscopy), and expression of ER stress markers in beta cell prepared by laser capture microdissection and in isolated islets. Insulin release was lower and beta cell apoptosis higher in type 2 diabetes than ND islets. ER density volume was significantly increased in type 2 diabetes beta cells. Expression of alpha-mannosidase (also known as mannosidase, alpha, class 1A, member 1) and UDP-glucose glycoprotein glucosyl transferase like 2 (UGCGL2), assessed by microarray and/or real-time reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR), differed between ND and type 2 diabetes beta cells. Expression of immunoglobulin heavy chain binding protein (BiP, also known as heat shock 70 kDa protein 5 [glucose-regulated protein, 78 kDa] [HSPA5]), X-box binding protein 1 (XBP-1, also known as XBP1) and C/EBP homologous protein (CHOP, also known as damage-inducible transcript 3 [DDIT3]) was not higher in type 2 diabetes beta cell or isolated islets cultured at 5.5 mmol/l glucose (microarray and real-time RT-PCR) than in ND samples. When islets were cultured for 24 h at 11.1 mmol/l glucose, there was induction of BiP and XBP-1 in type 2 diabetes islets but not in ND islets. Beta cell in type 2 diabetes showed modest signs of ER stress when studied in pancreatic samples or isolated islets maintained at physiological glucose concentration. However, exposure to increased glucose levels induced ER stress markers in type 2 diabetes islet cells, which therefore may be more susceptible to ER stress induced by metabolic perturbations.

Beta cell loss contributes to type 2 diabetes, with increased apoptosis representing an underlying mechanism. Autophagy, i.e. the physiological degradation of damaged organelles and proteins, may, if altered, be associated with a distinct form of cell death. We studied several features of autophagy in beta cells from type 2 diabetic patients and assessed the role of metabolic perturbation and pharmacological intervention. Pancreatic samples were obtained from organ donors and isolated islets prepared both by collagenase digestion and density gradient centrifugation. Beta cell morphology and morphometry were studied by electron microscopy. Gene expression studies were performed by quantitative RT-PCR. Using electron microscopy, we observed more dead beta cells in diabetic (2.24 ± 0.53%) than control (0.66 ± 0.52%) samples (p < 0.01). Massive vacuole overload (suggesting altered autophagy) was associated with 1.18 ± 0.54% dead beta cells in type 2 diabetic samples and with 0.36 ± 0.26% in control samples (p < 0.05). Density volume of autophagic vacuoles and autophagosomes was significantly higher in diabetic beta cells. Unchanged gene expression of beclin-1 and ATG1 (also known as ULK1), and reduced transcription of LAMP2 and cathepsin B and D was observed in type 2 diabetic islets. Exposure of non-diabetic islets to increased NEFA concentration led to a marked increase of vacuole accumulation, together with enhanced beta cell death, which was associated with decreased LAMP2 expression. Metformin ameliorated autophagy alterations in diabetic beta cells and beta cells exposed to NEFA, a process associated with normalisation of LAMP2 expression. Beta cells in human type 2 diabetes have signs of altered autophagy, which may contribute to loss of beta cell mass. To preserve beta cell mass in diabetic patients, it may be necessary to target multiple cell-death pathways.

Context: Elevated glucose levels impair islet function and survival, and it has been proposed that intraislet expression of IL-1β contributes to glucotoxicity. Objective: The objective was to investigate IL-1β mRNA expression in near-pure β-cells of patients with type 2 diabetes (T2DM) and study the regulation of IL-1β by glucose in isolated human islets. Methods: Laser capture microdissection was performed to isolate β-cells from pancreas sections of 10 type 2 diabetic donors and nine controls, and IL-1β mRNA expression was analyzed using gene arrays and PCR. Cultured human islets and fluorescence-activated cell sorter-purified human β-cells were used to study the regulation of IL-1β expression by glucose and IL-1β. Results: Gene array analysis of RNA from β-cells of individuals with T2DM revealed increased expression of IL-1β mRNA. Real-time PCR confirmed increased IL-1β expression in six of 10 T2DM samples, with minimal or no expression in nine control samples. In cultured human islets, IL-1β mRNA and protein expression was induced by high glucose and IL-1β autostimulation and decreased by the IL-1 receptor antagonist IL-1Ra. The glucose response was negatively correlated with basal IL-1β expression levels. Autostimulation was transient and nuclear factor-κB dependent. Glucose-induced IL-1β was biologically active and stimulated IL-8 release. Low picogram per milliliter concentrations of IL-1β up-regulated inflammatory factors IL-8 and IL-6. Conclusion: Evidence that IL-1β mRNA expression is up-regulated in β-cells of patients with T2DM is presented, and glucose-promoted IL-1β autostimulation may be a possible contributor.

Background Changes in gene expression in pancreatic beta-cells from type 2 diabetes (T2D) should provide insights into their abnormal insulin secretion and turnover. Methodology/Principal Findings Frozen sections were obtained from cadaver pancreases of 10 control and 10 T2D human subjects. Beta-cell enriched samples were obtained by laser capture microdissection (LCM). RNA was extracted, amplified and subjected to microarray analysis. Further analysis was performed with DNA-Chip Analyzer (dChip) and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) software. There were changes in expression of genes linked to glucotoxicity. Evidence of oxidative stress was provided by upregulation of several metallothionein genes. There were few changes in the major genes associated with cell cycle, apoptosis or endoplasmic reticulum stress. There was differential expression of genes associated with pancreatic regeneration, most notably upregulation of members of the regenerating islet gene (REG) family and metalloproteinase 7 (MMP7). Some of the genes found in GWAS studies to be related to T2D were also found to be differentially expressed. IGF2BP2, TSPAN8, and HNF1B (TCF2) were upregulated while JAZF1 and SLC30A8 were downregulated. Conclusions/Significance This study made possible by LCM has identified many novel changes in gene expression that enhance understanding of the pathogenesis of T2D.

Pancreatic β-cell dysfunction and death are central in the pathogenesis of type 2 diabetes (T2D). Saturated fatty acids cause β-cell failure and contribute to diabetes development in genetically predisposed individuals. Here we used RNA sequencing to map transcripts expressed in five palmitate-treated human islet preparations, observing 1,325 modified genes. Palmitate induced fatty acid metabolism and endoplasmic reticulum (ER) stress. Functional studies identified novel mediators of adaptive ER stress signaling. Palmitate modified genes regulating ubiquitin and proteasome function, autophagy, and apoptosis. Inhibition of autophagic flux and lysosome function contributed to lipotoxicity. Palmitate inhibited transcription factors controlling β-cell phenotype, including PAX4 and GATA6. Fifty-nine T2D candidate genes were expressed in human islets, and 11 were modified by palmitate. Palmitate modified expression of 17 splicing factors and shifted alternative splicing of 3,525 transcripts. Ingenuity Pathway Analysis of modified transcripts and genes confirmed that top changed functions related to cell death. Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery (DAVID) analysis of transcription factor binding sites in palmitate-modified transcripts revealed a role for PAX4, GATA, and the ER stress response regulators XBP1 and ATF6. This human islet transcriptome study identified novel mechanisms of palmitate-induced β-cell dysfunction and death. The data point to cross talk between metabolic stress and candidate genes at the β-cell level.