Impaired insulin secretion is a hallmark of type 2 diabetes (T2D). Epigenetics may affect disease susceptibility. To describe the human methylome in pancreatic islets and determine the epigenetic basis of T2D, we analyzed DNA methylation of 479,927 CpG sites and the transcriptome in pancreatic islets from T2D and non-diabetic donors. We provide a detailed map of the global DNA methylation pattern in human islets, β- and α-cells. Genomic regions close to the transcription start site showed low degrees of methylation and regions further away from the transcription start site such as the gene body, 3′UTR and intergenic regions showed a higher degree of methylation. While CpG islands were hypomethylated, the surrounding 2 kb shores showed an intermediate degree of methylation, whereas regions further away (shelves and open sea) were hypermethylated in human islets, β- and α-cells. We identified 1,649 CpG sites and 853 genes, including TCF7L2, FTO and KCNQ1, with differential DNA methylation in T2D islets after correction for multiple testing. The majority of the differentially methylated CpG sites had an intermediate degree of methylation and were underrepresented in CpG islands (∼7%) and overrepresented in the open sea (∼60%). 102 of the differentially methylated genes, including CDKN1A, PDE7B, SEPT9 and EXOC3L2, were differentially expressed in T2D islets. Methylation of CDKN1A and PDE7B promoters in vitro suppressed their transcriptional activity. Functional analyses demonstrated that identified candidate genes affect pancreatic β- and α-cells as Exoc3l silencing reduced exocytosis and overexpression of Cdkn1a, Pde7b and Sept9 perturbed insulin and glucagon secretion in clonal β- and α-cells, respectively. Together, our data can serve as a reference methylome in human islets. We provide new target genes with altered DNA methylation and expression in human T2D islets that contribute to perturbed insulin and glucagon secretion. These results highlight the importance of epigenetics in the pathogenesis of T2D.

Genetic variation can modulate gene expression, and thereby phenotypic variation and susceptibility to complex diseases such as type 2 diabetes (T2D). Here we harnessed the potential of DNA and RNA sequencing in human pancreatic islets from 89 deceased donors to identify genes of potential importance in the pathogenesis of T2D. We present a catalog of genetic variants regulating gene expression (eQTL) and exon use (sQTL), including many long noncoding RNAs, which are enriched in known T2D-associated loci. Of 35 eQTL genes, whose expression differed between normoglycemic and hyperglycemic individuals, siRNA of tetraspanin 33 (TSPAN33), 5'-nucleotidase, ecto (NT5E), transmembrane emp24 protein transport domain containing 6 (TMED6), and p21 protein activated kinase 7 (PAK7) in INS1 cells resulted in reduced glucose-stimulated insulin secretion. In addition, we provide a genome-wide catalog of allelic expression imbalance, which is also enriched in known T2D-associated loci. Notably, allelic imbalance in paternally expressed gene 3 (PEG3) was associated with its promoter methylation and T2D status. Finally, RNA editing events were less common in islets than previously suggested in other tissues. Taken together, this study provides new insights into the complexity of gene regulation in human pancreatic islets and better understanding of how genetic variation can influence glucose metabolism.

Several common genetic variations have been associated with type 2 diabetes, but the exact disease mechanisms are still poorly elucidated. Using congenic strains from the diabetic Goto-Kakizaki rat, we identified a 1.4-megabase genomic locus that was linked to impaired insulin granule docking at the plasma membrane and reduced beta cell exocytosis. In this locus, Adra2a, encoding the alpha2A-adrenergic receptor [alpha(2A)AR], was significantly overexpressed. Alpha(2A)AR mediates adrenergic suppression of insulin secretion. Pharmacological receptor antagonism, silencing of receptor expression, or blockade of downstream effectors rescued insulin secretion in congenic islets. Furthermore, we identified a single-nucleotide polymorphism in the human ADRA2A gene for which risk allele carriers exhibited overexpression of alpha(2A)AR, reduced insulin secretion, and increased type 2 diabetes risk. Human pancreatic islets from risk allele carriers exhibited reduced granule docking and secreted less insulin in response to glucose; both effects were counteracted by pharmacological alpha(2A)AR antagonists.

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.

The majority of genetic risk variants for type 2 diabetes (T2D) affect insulin secretion, but the mechanisms through which they influence pancreatic islet function remain largely unknown. We functionally characterized human islets to determine secretory, biophysical, and ultrastructural features in relation to genetic risk profiles in diabetic and nondiabetic donors. Islets from donors with T2D exhibited impaired insulin secretion, which was more pronounced in lean than obese diabetic donors. We assessed the impact of 14 disease susceptibility variants on measures of glucose sensing, exocytosis, and structure. Variants near TCF7L2 and ADRA2A were associated with reduced glucose-induced insulin secretion, whereas susceptibility variants near ADRA2A, KCNJ11, KCNQ1, and TCF7L2 were associated with reduced depolarization-evoked insulin exocytosis. KCNQ1, ADRA2A, KCNJ11, HHEX/IDE, and SLC2A2 variants affected granule docking. We combined our results to create a novel genetic risk score for β-cell dysfunction that includes aberrant granule docking, decreased Ca(2+) sensitivity of exocytosis, and reduced insulin release. Individuals with a high risk score displayed an impaired response to intravenous glucose and deteriorating insulin secretion over time. Our results underscore the importance of defects in β-cell exocytosis in T2D and demonstrate the potential of cellular phenotypic characterization in the elucidation of complex genetic disorders.

Epigenetic factors regulate tissue-specific expression and X-chromosome inactivation. Previous studies have identified epigenetic differences between sexes in some human tissues. However, it is unclear whether epigenetic modifications contribute to sex-specific differences in insulin secretion and metabolism. Here, we investigate the impact of sex on the genome-wide DNA methylation pattern in human pancreatic islets from 53 males and 34 females, and relate the methylome to changes in expression and insulin secretion.Glucose-stimulated insulin secretion is higher in female versus male islets. Genome-wide DNA methylation data in human islets clusters based on sex. While the chromosome-wide DNA methylation level on the X-chromosome is higher in female versus male islets, the autosomes do not display a global methylation difference between sexes. Methylation of 8,140 individual X-chromosome sites and 470 autosomal sites shows sex-specific differences in human islets. These include sites in/near AR, DUSP9, HNF4A, BCL11A and CDKN2B. 61 X-chromosome genes and 18 autosomal genes display sex-specific differences in both DNA methylation and expression. These include NKAP, SPESP1 and APLN, which exhibited lower expression in females. Functional analyses demonstrate that methylation of NKAP and SPESP1 promoters in vitro suppresses their transcriptional activity. Silencing of Nkap or Apln in clonal beta-cells results in increased insulin secretion. Differential methylation between sexes is associated with altered levels of microRNAs miR-660 and miR-532 and related target genes.Chromosome-wide and gene-specific sex differences in DNA methylation associate with altered expression and insulin secretion in human islets. Our data demonstrate that epigenetics contribute to sex-specific metabolic phenotypes.

Abstract Aging associates with impaired pancreatic islet function and increased type 2 diabetes (T2D) risk. Here we examine whether age-related epigenetic changes affect human islet function and if blood-based epigenetic biomarkers reflect these changes and associate with future T2D. We analyse DNA methylation genome-wide in islets from 87 non-diabetic donors, aged 26–74 years. Aging associates with increased DNA methylation of 241 sites. These sites cover loci previously associated with T2D, for example, KLF14 . Blood-based epigenetic biomarkers reflect age-related methylation changes in 83 genes identified in human islets (for example, KLF14, FHL2, ZNF518B and FAM123C ) and some associate with insulin secretion and T2D. DNA methylation correlates with islet expression of multiple genes, including FHL2 , ZNF518B, GNPNAT1 and HLTF. Silencing these genes in β-cells alter insulin secretion. Together, we demonstrate that blood-based epigenetic biomarkers reflect age-related DNA methylation changes in human islets, and associate with insulin secretion in vivo and T2D.

The ability to control the movement of nanoparticles remotely and with high precision would have far-reaching implications in many areas of nanotechnology. We have designed a unique dynamic magnetic field (DMF) generator that can induce rotational movements of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). We examined whether the rotational nanoparticle movement could be used for remote induction of cell death by injuring lysosomal membrane structures. We further hypothesized that the shear forces created by the generation of oscillatory torques (incomplete rotation) of SPIONs bound to lysosomal membranes would cause membrane permeabilization, lead to extravasation of lysosomal contents into the cytoplasm, and induce apoptosis. To this end, we covalently conjugated SPIONs with antibodies targeting the lysosomal protein marker LAMP1 (LAMP1-SPION). Remote activation of slow rotation of LAMP1-SPIONs significantly improved the efficacy of cellular internalization of the nanoparticles. LAMP1-SPIONs then preferentially accumulated along the membrane in lysosomes in both rat insulinoma tumor cells and human pancreatic beta cells due to binding of LAMP1-SPIONs to endogenous LAMP1. Further activation of torques by the LAMP1-SPIONs bound to lysosomes resulted in rapid decrease in size and number of lysosomes, attributable to tearing of the lysosomal membrane by the shear force of the rotationally activated LAMP1-SPIONs. This remote activation resulted in an increased expression of early and late apoptotic markers and impaired cell growth. Our findings suggest that DMF treatment of lysosome-targeted nanoparticles offers a noninvasive tool to induce apoptosis remotely and could serve as an important platform technology for a wide range of biomedical applications.