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.

Insulin-secreting pancreatic beta cells are exceptionally rich in zinc. In these cells, zinc is required for zinc-insulin crystallization within secretory vesicles. Secreted zinc has also been proposed to be a paracrine and autocrine modulator of glucagon and insulin secretion in pancreatic alpha and beta cells, respectively. However, little is known about the molecular mechanisms underlying zinc accumulation in insulin-containing vesicles. We previously identified a pancreas-specific zinc transporter, ZnT-8, which colocalized with insulin in cultured beta cells. In this paper we studied its localization in human pancreatic islet cells, and its effect on cellular zinc content and insulin secretion. In human pancreatic islet cells, ZnT-8 was exclusively expressed in insulin-producing beta cells, and colocalized with insulin in these cells. ZnT-8 overexpression stimulated zinc accumulation and increased total intracellular zinc in insulin-secreting INS-1E cells. Furthermore, ZnT-8-overexpressing cells display enhanced glucose-stimulated insulin secretion compared with control cells, only for a high glucose challenge, i.e. >10 mM glucose. Altogether, these data strongly suggest that the zinc transporter ZnT-8 is a key protein for both zinc accumulation and regulation of insulin secretion in pancreatic beta cells.

Abstract Islets of patients with type 2 diabetes mellitus (T2DM) display features of an inflammatory process including elevated levels of the cytokine IL-1β, various chemokines, and macrophages. IL-1β is a master regulator of inflammation, and IL-1 receptor type I (IL-1RI) blockage improves glycemia and insulin secretion in humans with T2DM and in high-fat-fed mice pointing to a pivotal role of IL-1RI activity in intra-islet inflammation. Given the association of dyslipidemia and T2DM, we tested whether free fatty acids (FFA) promote the expression of proinflammatory factors in human and mouse islets and investigated a role for the IL-1RI in this response. A comparison of 22 mouse tissues revealed the highest IL-1RI expression levels in islets and MIN6 β-cells. FFA induced IL-1β, IL-6, and IL-8 in human islets and IL-1β and KC in mouse islets. Elevated glucose concentrations enhanced FFA-induced proinflammatory factors in human islets. Blocking the IL-1RI with the IL-1R antagonist (IL-1Ra) strongly inhibited FFA-mediated expression of proinflammatory factors in human and mouse islets. Antibody inhibition of IL-1β revealed that FFA stimulated IL-1RI activity via the induction of the receptor ligand. FFA-induced IL-1β and KC expression in mouse islets was completely dependent on the IL-1R/Toll-like receptor (TLR) docking protein Myd88 and partly dependent on TLR2 and -4. Activation of TLR2 in purified human β-cells and islets stimulated the expression of proinflammatory factors, and IL-1RI activity increased the TLR2 response in human islets. We conclude that FFA and TLR stimulation induce proinflammatory factors in islets and that IL-1RI engagement results in signal amplification.

The cytokine IL-1β has well-established harmful effects on pancreatic islet function. Donath and colleagues identify an acute wave of postprandial IL-1β release and show that this unexpectedly has a positive effect on insulin secretion and the maintenance of normal metabolic function. The deleterious effect of chronic activation of the IL-1β system on type 2 diabetes and other metabolic diseases is well documented. However, a possible physiological role for IL-1β in glucose metabolism has remained unexplored. Here we found that feeding induced a physiological increase in the number of peritoneal macrophages that secreted IL-1β, in a glucose-dependent manner. Subsequently, IL-1β contributed to the postprandial stimulation of insulin secretion. Accordingly, lack of endogenous IL-1β signaling in mice during refeeding and obesity diminished the concentration of insulin in plasma. IL-1β and insulin increased the uptake of glucose into macrophages, and insulin reinforced a pro-inflammatory pattern via the insulin receptor, glucose metabolism, production of reactive oxygen species, and secretion of IL-1β mediated by the NLRP3 inflammasome. Postprandial inflammation might be limited by normalization of glycemia, since it was prevented by inhibition of the sodium–glucose cotransporter SGLT2. Our findings identify a physiological role for IL-1β and insulin in the regulation of both metabolism and immunity.

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.

The recent discovery that genetically modified α cells can regenerate and convert into β-like cells in vivo holds great promise for diabetes research. However, to eventually translate these findings to human, it is crucial to discover compounds with similar activities. Herein, we report the identification of GABA as an inducer of α-to-β-like cell conversion in vivo. This conversion induces α cell replacement mechanisms through the mobilization of duct-lining precursor cells that adopt an α cell identity prior to being converted into β-like cells, solely upon sustained GABA exposure. Importantly, these neo-generated β-like cells are functional and can repeatedly reverse chemically induced diabetes in vivo. Similarly, the treatment of transplanted human islets with GABA results in a loss of α cells and a concomitant increase in β-like cell counts, suggestive of α-to-β-like cell conversion processes also in humans. This newly discovered GABA-induced α cell-mediated β-like cell neogenesis could therefore represent an unprecedented hope toward improved therapies for diabetes.

Dysfunctional microRNA (miRNA) networks contribute to inappropriate responses following pathological stress and are the underlying cause of several disease conditions. In pancreatic β cells, miRNAs have been largely unstudied and little is known about how specific miRNAs regulate glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) or impact the adaptation of β cell function to metabolic stress. In this study, we determined that miR-7 is a negative regulator of GSIS in β cells. Using Mir7a2 deficient mice, we revealed that miR-7a2 regulates β cell function by directly regulating genes that control late stages of insulin granule fusion with the plasma membrane and ternary SNARE complex activity. Transgenic mice overexpressing miR-7a in β cells developed diabetes due to impaired insulin secretion and β cell dedifferentiation. Interestingly, perturbation of miR-7a expression in β cells did not affect proliferation and apoptosis, indicating that miR-7 is dispensable for the maintenance of endocrine β cell mass. Furthermore, we found that miR-7a levels are decreased in obese/diabetic mouse models and human islets from obese and moderately diabetic individuals with compensated β cell function. Our results reveal an interconnecting miR-7 genomic circuit that regulates insulin granule exocytosis in pancreatic β cells and support a role for miR-7 in the adaptation of pancreatic β cell function in obesity and type 2 diabetes.

Recent human genetics studies have revealed that common variants of the TCF7L2 (T-cell factor 7-like 2, formerly known as TCF4) gene are strongly associated with type 2 diabetes mellitus (T2DM). We have shown that TCF7L2 expression in the beta-cells is correlated with function and survival of the insulin-producing pancreatic beta-cell. In order to understand how variations in TCF7L2 influence diabetes progression, we investigated its mechanism of action in the beta-cell. We show robust differences in TCF7L2 expression between healthy controls and models of T2DM. While mRNA levels were approximately 2-fold increased in isolated islets from the diabetic db/db mouse, the Vancouver Diabetic Fatty (VDF) Zucker rat and the high fat/high sucrose diet-treated mouse compared with the non-diabetic controls, protein levels were decreased. A similar decrease was observed in pancreatic sections from patients with T2DM. In parallel, expression of the receptors for glucagon-like peptide 1 (GLP-1R) and glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP-R) was decreased in islets from humans with T2DM as well as in isolated human islets treated with siRNA to TCF7L2 (siTCF7L2). Also, insulin secretion stimulated by glucose, GLP-1 and GIP, but not KCl or cyclic adenosine monophosphate (cAMP) was impaired in siTCF7L2-treated isolated human islets. Loss of TCF7L2 resulted in decreased GLP-1 and GIP-stimulated AKT phosphorylation, and AKT-mediated Foxo-1 phosphorylation and nuclear exclusion. Our findings suggest that beta-cell function and survival are regulated through an interplay between TCF7L2 and GLP-1R/GIP-R expression and signaling in T2DM.

The miR-200 family of miRNAs is upregulated in diabetes and leads to the apoptosis of pancreatic beta cells, while its knockout prevents this pathology Pancreatic beta cell death is a hallmark of type 1 (T1D) and type 2 (T2D) diabetes, but the molecular mechanisms underlying this aspect of diabetic pathology are poorly understood. Here we report that expression of the microRNA (miR)-200 family is strongly induced in islets of diabetic mice and that beta cell–specific overexpression of miR-200 in mice is sufficient to induce beta cell apoptosis and lethal T2D. Conversely, mir-200 ablation in mice reduces beta cell apoptosis and ameliorates T2D. We show that miR-200 negatively regulates a conserved anti-apoptotic and stress-resistance network that includes the essential beta cell chaperone Dnajc3 (also known as p58IPK) and the caspase inhibitor Xiap. We also observed that mir-200 dosage positively controls activation of the tumor suppressor Trp53 and thereby creates a pro-apoptotic gene-expression signature found in islets of diabetic mice. Consequently, miR-200–induced T2D is suppressed by interfering with the signaling of Trp53 and Bax, a proapoptotic member of the B cell lymphoma 2 protein family. Our results reveal a crucial role for the miR-200 family in beta cell survival and the pathophysiology of diabetes.