While serotonin (5-HT) co-localization with insulin in granules of pancreatic β-cells was demonstrated more than three decades ago, its physiological role in the etiology of diabetes is still unclear. We combined biochemical and electrophysiological analyses of mice selectively deficient in peripheral tryptophan hydroxylase (Tph1−/−) and 5-HT to show that intracellular 5-HT regulates insulin secretion. We found that these mice are diabetic and have an impaired insulin secretion due to the lack of 5-HT in the pancreas. The pharmacological restoration of peripheral 5-HT levels rescued the impaired insulin secretion in vivo. These findings were further evidenced by patch clamp experiments with isolated Tph1−/− β-cells, which clearly showed that the secretory defect is downstream of Ca2+-signaling and can be rescued by direct intracellular application of 5-HT via the clamp pipette. In elucidating the underlying mechanism further, we demonstrate the covalent coupling of 5-HT by transglutaminases during insulin exocytosis to two key players in insulin secretion, the small GTPases Rab3a and Rab27a. This renders them constitutively active in a receptor-independent signaling mechanism we have recently termed serotonylation. Concordantly, an inhibition of such activating serotonylation in β-cells abates insulin secretion. We also observed inactivation of serotonylated Rab3a by enhanced proteasomal degradation, which is in line with the inactivation of other serotonylated GTPases. Our results demonstrate that 5-HT regulates insulin secretion by serotonylation of GTPases within pancreatic β-cells and suggest that intracellular 5-HT functions in various microenvironments via this mechanism in concert with the known receptor-mediated signaling.

The release of peptide hormones is predominantly regulated by a transient increase in cytosolic Ca 2+ concentration ([Ca 2+ ] c ). To trigger exocytosis, Ca 2+ ions enter the cytosol from intracellular Ca 2+ stores or from the extracellular space. The molecular events of late stages of exocytosis, and their dependence on [Ca 2+ ] c , were extensively described in isolated single cells from various endocrine glands. Notably less work has been done on endocrine cells in situ to address the heterogeneity of [Ca 2+ ] c events contributing to a collective functional response of a gland. For this beta cell collectives in a pancreatic islet are particularly well suited as they are the smallest, experimentally manageable functional unit, where [Ca 2+ ] c dynamics can be simultaneously assessed on both cellular and collective level. Here we measured [Ca 2+ ] c transients across all relevant timescales, from a sub-second to a minute time range, using high-resolution imaging with low-affinity Ca 2+ sensor. We quantified the recordings with a novel computational framework for semi-automatic image segmentation and [Ca 2+ ] c event identification. Our results demonstrate that under physiological conditions the duration of [Ca 2+ ] c events is variable, and segregated into 3 reproducible modes, sub-second, second and tens of seconds time range, and are a result of a progressive temporal summation of the shortest events. Using pharmacological tools we show that activation of intracellular Ca 2+ receptors is both sufficient and necessary for glucose-dependent [Ca 2+ ] c oscillations in beta cell collectives, and that a subset of [Ca 2+ ] c events could be triggered even in the absence of Ca 2+ influx across the plasma membrane. In aggregate, our experimental and analytical platform was able to readily address the involvement of intracellular Ca 2+ receptors in shaping the heterogeneity of [Ca 2+ ] c responses in collectives of endocrine cells in situ.

Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated for the human body thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer’s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregates of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Histone deacetylase inhibitors (HDIs) modulate β cell function in preclinical models of diabetes; however, the mechanisms underlying these beneficial effects have not been determined. In this study, we investigated the impact of the HDI sodium butyrate (NaB) on β cell function and calcium (Ca2+) signaling using ex vivo and in vitro models of diabetes. Our results show that NaB significantly improved glucose-stimulated insulin secretion in islets from human organ donors with type 2 diabetes and in cytokine-treated INS-1 β cells. Consistently, NaB partially rescued glucose-stimulated Ca2+ oscillations in mouse islets treated with proinflammatory cytokines. Because the oscillatory phenotype of Ca2+ in the β cell is governed by changes in endoplasmic reticulum (ER) Ca2+ levels, next we explored the relationship between NaB and store-operated calcium entry (SOCE), a rescue mechanism that acts to refill ER Ca2+ levels through STIM1-mediated gating of plasmalemmal Orai channels. We found that NaB treatment preserved basal ER Ca2+ levels and restored SOCE in IL-1β-treated INS-1 cells. Furthermore, we linked these changes with the restoration of STIM1 levels in cytokine-treated INS-1 cells and mouse islets, and we found that NaB treatment was sufficient to prevent β cell death in response to IL-1β treatment. Mechanistically, NaB counteracted cytokine-mediated reductions in phosphorylation levels of key signaling molecules, including AKT, ERK1/2, glycogen synthase kinase-3α (GSK-3α), and GSK-3β. Taken together, these data support a model whereby HDI treatment promotes β cell function and Ca2+ homeostasis under proinflammatory conditions through STIM1-mediated control of SOCE and AKT-mediated inhibition of GSK-3.

Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, for the human body neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and apparently strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer`s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregated deposits of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Sodium butyrate (NaB) improves β-cell function in preclinical models of diabetes; however, the mechanisms underlying these beneficial effects have not been fully elucidated. In this study, we investigated the impact of NaB on β-cell function and calcium (Ca

Assigning students to work in permanent teams is a design principle in Team-based learning (TBL). It has been assumed that a stable team composition supports the emergence of collaborative problem-solving and learning: when students became more familiar with each other, they shared more information and resolved discrepancies together, which in turn stimulated knowledge acquisition and comprehension. However, this assumption had not been probed by a randomized controlled trial with performance assessment as an outcome. In an online course for second term medical students, 50% of the students were reassigned to new teams for each of the 24 problems to be solved during four classes, thus precluding familiarity. The learning outcome was assessed shortly after the third of four classes by a domain knowledge test. Whether TBL teams were permanent or temporary did not affect the score of a domain knowledge test. As expected, participation in online TBL improved the domain knowledge test results. Overall, the permanent team seems to be less important for cognitive learning outcomes than previously assumed, but this may depend on the specific educational setting. However, team familiarity may still be important for team decision-making. As clinical reasoning in the medical workplace often involves collaborating in changing teams, future research on TBL should focus on how to utilize this format to prepare medical students for decision-making and optimal learning outcomes under these conditions.

Residing in the islets of Langerhans in the pancreas, beta cells contribute to glucose homeostasis by managing the body’s insulin supply. A circulating hypothesis has been that healthy beta cells heavily engage in cell-to-cell communication to perform their homeostatic function. We provide strong evidence in favor of this hypothesis in the form of (i) a dynamical network model that faithfully mimics fast calcium oscillations in response to above-threshold glucose stimulation and (ii) empirical data analysis that reveals a qualitative shift in the cross-correlation structure of measured signals below and above the threshold glucose concentration. Combined together, these results point to a glucose-induced transition in beta-cell activity thanks to increasing coordination through gap-junctional signaling and paracrine interactions. The model further suggests how the conservation of entire cell-cell conductance, observed in coupled but not uncoupled beta cells, emerges as a collective phenomenon. An overall implication is that improving the ability to monitor beta-cell signaling should offer means to better understand the pathogenesis of diabetes mellitus.

ABSTRACT S100A8/A9 is an endogenous alarmin secreted by myeloid cells during many acute and chronic inflammatory disorders. Despite increasing evidence of the proinflammatory effects of extracellular S100A8/A9, little is known about its intracellular function. Here, we show that cytosolic S100A8/A9 is indispensable for neutrophil post-arrest modifications during outside-in signaling under flow conditions in vitro and neutrophil recruitment in vivo, independent of its extracellular functions. Mechanistically, genetic deletion of S100A9 in mice ( Mrp14 -/- , functional S100A8/A9 -/- ) caused dysregulated Ca 2+ signatures in activated neutrophils resulting in reduced Ca 2+ availability at the formed LFA-1/F-actin clusters with defective β 2 integrin outside-in signaling during post-arrest modifications. Consequently, we observed impaired cytoskeletal rearrangement, cell polarization and spreading, as well as cell protrusion formation in Mrp14 -/- compared to WT neutrophils, making Mrp14 -/- cells more susceptible to detach under flow, thereby preventing efficient neutrophil recruitment and extravasation into inflamed tissue. One-sentence summary: intracellular S100A8/A9 is indispensable for firm leukocyte adhesion under flow

Glucose progressively stimulates insulin release over a wide range of concentrations. However, the nutrient coding underlying activation, activity, and deactivation of beta cells affecting insulin release remains only partially described. Experimental data indicate that nutrient sensing in coupled beta cells in islets is predominantly a collective trait, overriding to a large extent functional differences between cells. However, some degree of heterogeneity between coupled beta cells may play important roles. To further elucidate glucose-dependent modalities in coupled beta cells, the degree of functional heterogeneity, and uncover the emergent collective operations, we combined acute mouse pancreas tissue slices with functional multicellular calcium imaging. We recorded beta cell calcium responses from threshold (7 mM) to supraphysiological (16 mM) glucose concentrations with high spatial and temporal resolution. This enabled the analysis of both classical physiological parameters and complex network parameters, as well as their comparison at the level of individual cells. The activation profile displayed two major glucose concentration-dependent features, shortening of delays to initial activation, and shortening of delays until half activation with increasing glucose concentration. Inversely, during deactivation both delays to initial deactivation and until half deactivation were progressively longer with increasing glucose concentration. The plateau activity with fast calcium oscillations expressed two types of glucose-dependence. Physiological concentrations mostly affected the frequency of oscillations, whereas supraphysiological concentrations progressively prolonged the duration of oscillations. Most of the measured functional network parameters also showed clear glucose-dependence. In conclusion, we propose novel understanding for glucose-dependent coding properties in beta cell networks, and its deciphering may have repercussions for our understanding of the normal physiology of glucose homeostasis as well as of disturbances of metabolic homeostasis, such as diabetes mellitus.