Interest in how the gut microbiome can influence the metabolic state of the host has recently heightened. One postulated link is bacterial fermentation of “indigestible” prebiotics to short-chain fatty acids (SCFAs), which in turn modulate the release of gut hormones controlling insulin release and appetite. We show here that SCFAs trigger secretion of the incretin hormone glucagon-like peptide (GLP)-1 from mixed colonic cultures in vitro. Quantitative PCR revealed enriched expression of the SCFA receptors ffar2 (grp43) and ffar3 (gpr41) in GLP-1–secreting L cells, and consistent with the reported coupling of GPR43 to Gq signaling pathways, SCFAs raised cytosolic Ca2+ in L cells in primary culture. Mice lacking ffar2 or ffar3 exhibited reduced SCFA-triggered GLP-1 secretion in vitro and in vivo and a parallel impairment of glucose tolerance. These results highlight SCFAs and their receptors as potential targets for the treatment of diabetes.

The complete inability to sense pain in an otherwise healthy individual is a very rare phenotype. In three consanguineous families from northern Pakistan, we mapped the condition as an autosomal-recessive trait to chromosome 2q24.3. This region contains the gene SCN9A, encoding the alpha-subunit of the voltage-gated sodium channel, Na(v)1.7, which is strongly expressed in nociceptive neurons. Sequence analysis of SCN9A in affected individuals revealed three distinct homozygous nonsense mutations (S459X, I767X and W897X). We show that these mutations cause loss of function of Na(v)1.7 by co-expression of wild-type or mutant human Na(v)1.7 with sodium channel beta(1) and beta(2) subunits in HEK293 cells. In cells expressing mutant Na(v)1.7, the currents were no greater than background. Our data suggest that SCN9A is an essential and non-redundant requirement for nociception in humans. These findings should stimulate the search for novel analgesics that selectively target this sodium channel subunit.

A. Kemal Topaloglu and colleagues report the identification of mutations in the neurokinin B receptor and its ligand in families with severe congenital gonadotropin deficiency and pubertal failure. These findings indicate that neurokinin B is a central regulator of human gonadal function. The timely secretion of gonadal sex steroids is essential for the initiation of puberty, the postpubertal maintenance of secondary sexual characteristics and the normal perinatal development of male external genitalia. Normal gonadal steroid production requires the actions of the pituitary-derived gonadotropins, luteinizing hormone and follicle-stimulating hormone. We report four human pedigrees with severe congenital gonadotropin deficiency and pubertal failure in which all affected individuals are homozygous for loss-of-function mutations in TAC3 (encoding Neurokinin B) or its receptor TACR3 (encoding NK3R). Neurokinin B, a member of the substance P–related tachykinin family, is known to be highly expressed in hypothalamic neurons that also express kisspeptin1, a recently identified regulator of gonadotropin-releasing hormone secretion2. These findings implicate Neurokinin B as a critical central regulator of human gonadal function and suggest new approaches to the pharmacological control of human reproduction and sex hormone-related diseases.

Helga Ellingsgaard et al. show that secretion of interleukin-6 by muscle in response to exercise, or injection of recombinant protein, increases the expression of the incretin GLP-1 by both intestinal cells and by pancreatic alpha cells, thus potentiating insulin release and improving glycemic control. These results identify a new endocrine loop linking energy demands to homeostatic control while also suggesting further targets for type 2 diabetes therapy. Exercise, obesity and type 2 diabetes are associated with elevated plasma concentrations of interleukin-6 (IL-6). Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is a hormone that induces insulin secretion. Here we show that administration of IL-6 or elevated IL-6 concentrations in response to exercise stimulate GLP-1 secretion from intestinal L cells and pancreatic alpha cells, improving insulin secretion and glycemia. IL-6 increased GLP-1 production from alpha cells through increased proglucagon (which is encoded by GCG) and prohormone convertase 1/3 expression. In models of type 2 diabetes, the beneficial effects of IL-6 were maintained, and IL-6 neutralization resulted in further elevation of glycemia and reduced pancreatic GLP-1. Hence, IL-6 mediates crosstalk between insulin-sensitive tissues, intestinal L cells and pancreatic islets to adapt to changes in insulin demand. This previously unidentified endocrine loop implicates IL-6 in the regulation of insulin secretion and suggests that drugs modulating this loop may be useful in type 2 diabetes.

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is an enteric hormone that stimulates insulin secretion and improves glycaemia in type 2 diabetes. Although GLP-1-based treatments are clinically available, alternative strategies to increase endogenous GLP-1 release from L cells are hampered by our limited physiological understanding of this cell type. By generating transgenic mice with L cell-specific expression of a fluorescent protein, we studied the characteristics of primary L cells by electrophysiology, fluorescence calcium imaging, and expression analysis and show that single L cells are electrically excitable and glucose responsive. Sensitivity to tolbutamide and low-millimolar concentrations of glucose and α-methylglucopyranoside, assessed in single L cells and by hormone secretion from primary cultures, suggested that GLP-1 release is regulated by the activity of sodium glucose cotransporter 1 and ATP-sensitive K+ channels, consistent with their high expression levels in purified L cells by quantitative RT-PCR. These and other pathways identified using this approach will provide exciting opportunities for future physiological and therapeutic exploration.

To clarify the physiological role of Na(+)-D-glucose cotransporter SGLT1 in small intestine and kidney, Sglt1(-/-) mice were generated and characterized phenotypically. After gavage of d-glucose, small intestinal glucose absorption across the brush-border membrane (BBM) via SGLT1 and GLUT2 were analyzed. Glucose-induced secretion of insulinotropic hormone (GIP) and glucagon-like peptide 1 (GLP-1) in wild-type and Sglt1(-/-) mice were compared. The impact of SGLT1 on renal glucose handling was investigated by micropuncture studies. It was observed that Sglt1(-/-) mice developed a glucose-galactose malabsorption syndrome but thrive normally when fed a glucose-galactose-free diet. In wild-type mice, passage of D-glucose across the intestinal BBM was predominantly mediated by SGLT1, independent the glucose load. High glucose concentrations increased the amounts of SGLT1 and GLUT2 in the BBM, and SGLT1 was required for upregulation of GLUT2. SGLT1 was located in luminal membranes of cells immunopositive for GIP and GLP-1, and Sglt1(-/-) mice exhibited reduced glucose-triggered GIP and GLP-1 levels. In the kidney, SGLT1 reabsorbed ∼3% of the filtered glucose under normoglycemic conditions. The data indicate that SGLT1 is 1) pivotal for intestinal mass absorption of d-glucose, 2) triggers the glucose-induced secretion of GIP and GLP-1, and 3) triggers the upregulation of GLUT2.

The placenta is the extraembryonic organ that supports the fetus during intrauterine life. Although placental dysfunction results in major disorders of pregnancy with immediate and lifelong consequences for the mother and child, our knowledge of the human placenta is limited owing to a lack of functional experimental models1. After implantation, the trophectoderm of the blastocyst rapidly proliferates and generates the trophoblast, the unique cell type of the placenta. In vivo, proliferative villous cytotrophoblast cells differentiate into two main sub-populations: syncytiotrophoblast, the multinucleated epithelium of the villi responsible for nutrient exchange and hormone production, and extravillous trophoblast cells, which anchor the placenta to the maternal decidua and transform the maternal spiral arteries2. Here we describe the generation of long-term, genetically stable organoid cultures of trophoblast that can differentiate into both syncytiotrophoblast and extravillous trophoblast. We used human leukocyte antigen (HLA) typing to confirm that the organoids were derived from the fetus, and verified their identities against four trophoblast-specific criteria3. The cultures organize into villous-like structures, and we detected the secretion of placental-specific peptides and hormones, including human chorionic gonadotropin (hCG), growth differentiation factor 15 (GDF15) and pregnancy-specific glycoprotein (PSG) by mass spectrometry. The organoids also differentiate into HLA-G+ extravillous trophoblast cells, which vigorously invade in three-dimensional cultures. Analysis of the methylome reveals that the organoids closely resemble normal first trimester placentas. This organoid model will be transformative for studying human placental development and for investigating trophoblast interactions with the local and systemic maternal environment. An in vitro system that generates three-dimensional cultures of extraembryonic fetal trophoblast cells that differentiate into the two main types of trophoblast can be used to study human placental development.

It has long been speculated that metabolites, produced by gut microbiota, influence host metabolism in health and diseases. Here, we reveal that indole, a metabolite produced from the dissimilation of tryptophan, is able to modulate the secretion of glucagon-like peptide-1 (GLP-1) from immortalized and primary mouse colonic L cells. Indole increased GLP-1 release during short exposures, but it reduced secretion over longer periods. These effects were attributed to the ability of indole to affect two key molecular mechanisms in L cells. On the one hand, indole inhibited voltage-gated K+ channels, increased the temporal width of action potentials fired by L cells, and led to enhanced Ca2+ entry, thereby acutely stimulating GLP-1 secretion. On the other hand, indole slowed ATP production by blocking NADH dehydrogenase, thus leading to a prolonged reduction of GLP-1 secretion. Our results identify indole as a signaling molecule by which gut microbiota communicate with L cells and influence host metabolism.

Metformin, the world’s most prescribed anti-diabetic drug, is also effective in preventing type 2 diabetes in people at high risk1,2. More than 60% of this effect is attributable to the ability of metformin to lower body weight in a sustained manner3. The molecular mechanisms by which metformin lowers body weight are unknown. Here we show—in two independent randomized controlled clinical trials—that metformin increases circulating levels of the peptide hormone growth/differentiation factor 15 (GDF15), which has been shown to reduce food intake and lower body weight through a brain-stem-restricted receptor. In wild-type mice, oral metformin increased circulating GDF15, with GDF15 expression increasing predominantly in the distal intestine and the kidney. Metformin prevented weight gain in response to a high-fat diet in wild-type mice but not in mice lacking GDF15 or its receptor GDNF family receptor α-like (GFRAL). In obese mice on a high-fat diet, the effects of metformin to reduce body weight were reversed by a GFRAL-antagonist antibody. Metformin had effects on both energy intake and energy expenditure that were dependent on GDF15, but retained its ability to lower circulating glucose levels in the absence of GDF15 activity. In summary, metformin elevates circulating levels of GDF15, which is necessary to obtain its beneficial effects on energy balance and body weight, major contributors to its action as a chemopreventive agent. In mouse studies, metformin treatment results in increased secretion of growth/differentiation factor 15 (GDF15), which prevents weight gain in response to high-fat diet, and GDF15-independent lowering of circulating blood glucose.

GLP-1 is an intestinal hormone with widespread actions on metabolism. Therapies based on GLP-1 are highly effective because they increase glucose-dependent insulin secretion in people with type 2 diabetes, but many reports suggest that GLP-1 has additional beneficial or, in some cases, potentially dangerous actions on other tissues, including the heart, vasculature, exocrine pancreas, liver, and central nervous system. Identifying which tissues express the GLP-1 receptor (GLP1R) is critical for the development of GLP-1-based therapies. Our objective was to use a method independent of GLP1R antibodies to identify and characterize the targets of GLP-1 in mice. Using newly generated glp1r-Cre mice crossed with fluorescent reporter strains, we show that major sites of glp1r expression include pancreatic β- and δ-cells, vascular smooth muscle, cardiac atrium, gastric antrum/pylorus, enteric neurones, and vagal and dorsal root ganglia. In the central nervous system, glp1r-fluorescent cells were abundant in the area postrema, arcuate nucleus, paraventricular nucleus, and ventromedial hypothalamus. Sporadic glp1r-fluorescent cells were found in pancreatic ducts. No glp1r-fluorescence was observed in ventricular cardiomyocytes. Enteric and vagal neurons positive for glp1r were activated by GLP-1 and may contribute to intestinal and central responses to locally released GLP-1, such as regulation of intestinal secretomotor activity and appetite.