Obesity, insulin resistance and the metabolic syndrome are associated with changes to the gut microbiota; however, the mechanism by which modifications to the gut microbiota might lead to these conditions is unknown. Here we show that increased production of acetate by an altered gut microbiota in rodents leads to activation of the parasympathetic nervous system, which, in turn, promotes increased glucose-stimulated insulin secretion, increased ghrelin secretion, hyperphagia, obesity and related sequelae. Together, these findings identify increased acetate production resulting from a nutrient-gut microbiota interaction and subsequent parasympathetic activation as possible therapeutic targets for obesity.

SUMMARY Pyruvate kinase (PK) and the phosphoenolpyruvate (PEP) cycle play key roles in nutrient-stimulated K ATP channel closure and insulin secretion. To identify the PK isoforms involved, we generated mice lacking β-cell PKm1, PKm2, and mitochondrial PEP carboxykinase (PCK2) that generates mitochondrial PEP. Glucose metabolism generates both glycolytic and mitochondrially-derived PEP, which triggers K ATP closure through local PKm1 and PKm2 signaling at the plasma membrane. Amino acids, which generate mitochondrial PEP without producing glycolytic fructose 1,6-bisphosphate to allosterically activate PKm2, signal through PKm1 to raise ATP/ADP, close K ATP channels, and stimulate insulin secretion. Raising cytosolic ATP/ADP with amino acids is insufficient to close K ATP channels in the absence of PK activity or PCK2, indicating that K ATP channels are regulated by mitochondrially-derived PEP that provides ATP via plasma membrane-associated PK, but not via mitochondrially-derived ATP. Following membrane depolarization, the PEP cycle is also involved in an “off-switch” that facilitates K ATP channel reopening and Ca 2+ extrusion, as shown by PK activation experiments and β-cell PCK2 deletion that prolonged Ca 2+ oscillations and increased insulin secretion. In conclusion, the differential response of PKm1 and PKm2 to the glycolytic and mitochondrial sources of PEP influences the β-cell nutrient response, and controls the oscillatory cycle regulating insulin secretion.

Pancreatic β-cells couple nutrient metabolism with appropriate insulin secretion. Here, we show that pyruvate kinase (PK), which converts ADP and phosphoenolpyruvate (PEP) into ATP and pyruvate, underlies β-cell sensing of both glycolytic and mitochondrial fuels. PK present at the plasma membrane is sufficient to close KATP channels and initiate calcium influx. Small-molecule PK activators increase β-cell oscillation frequency and potently amplify insulin secretion. By cyclically depriving mitochondria of ADP, PK restricts oxidative phosphorylation in favor of the mitochondrial PEP cycle with no net impact on glucose oxidation. Our findings support a compartmentalized model of β-cell metabolism in which PK locally generates the ATP/ADP threshold required for insulin secretion, and identify a potential therapeutic route for diabetes based on PK activation that would not be predicted by the β-cell consensus model.

Obesity is a major modifiable risk factor for pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), yet how and when obesity contributes to PDAC progression is not well understood. Leveraging an autochthonous mouse model, we demonstrate a causal and reversible role for obesity in early PDAC progression, showing that obesity markedly enhances tumorigenesis, while genetic or dietary induction of weight loss intercepts cancer development. Bulk and single cell molecular analyses of human and murine samples define microenvironmental consequences of obesity that promote tumor development rather than new driver gene mutations. We observe increased inflammation and fibrosis and also provide evidence for significant pancreatic islet cell adaptation in obesity-associated tumors. Specifically, we identify aberrant islet beta cell expression of the peptide hormone cholecystokinin (CCK) in tumors as an adaptive response to obesity. Furthermore, beta cell CCK expression promotes oncogenic Kras -driven pancreatic ductal tumorigenesis. Our studies argue that PDAC progression is driven by local obesity-associated changes in the tumor microenvironment – rather than systemic effects – and implicate endocrine-exocrine signaling beyond insulin in PDAC development. Furthermore, our demonstration that these obesity-associated adaptations are reversible supports the use of anti-obesity strategies to intercept PDAC early during progression.

The mitochondrial GTP (mtGTP)-dependent phosphoenolpyruvate (PEP) cycle is an anaplerotic-cataplerotic mitochondrial shuttle utilizing mitochondrial PEPCK (PCK2) and pyruvate kinase (PK). PEP cycling stimulates insulin secretion via OxPhos-independent lowering of ADP by PK. We assess in vivo whether islet PCK2 is necessary for glucose sensing and if speeding the PEP cycle via pharmacological PK activators amplifies insulin secretion. Pck2-/- mice had severely impaired insulin secretion during islet perifusion, oral glucose tolerance tests and hyperglycemic clamps. Acute and chronic pharmacologic PK activator therapy improved islet insulin secretion from normal, high-fat diet (HFD) fed, or Zucker diabetic fatty (ZDF) rats, and glucolipotoxic or diabetic humans. A similar improvement in insulin secretion was observed in regular chow and HFD rats in vivo. Insulin secretion and cytosolic Ca2+ during PK activation were dependent on PCK2. These data provide a preclinical rationale for strategies, such as PK activation, that target the PEP cycle to improve glucose homeostasis.

Reduced glutathione (GSH) is an abundant antioxidant that regulates intracellular redox homeostasis by scavenging reactive oxygen species (ROS). Glutamate-cysteine ligase catalytic (GCLC) subunit is the rate-limiting step in GSH biosynthesis. Using the Pax6-Cre driver mouse line, we deleted expression of the Gclc gene in all pancreatic endocrine progenitor cells. Intriguingly, Gclc knockout (KO) mice, following weaning, exhibited an age-related, progressive diabetes phenotype, manifested as strikingly increased blood glucose and decreased plasma insulin levels. This severe diabetes trait is preceded by pathologic changes in islet of weanling mice. Gclc KO weanlings showed progressive abnormalities in pancreatic morphology including: islet-specific cellular vacuolization, decreased islet-cell mass, and alterations in islet hormone expression. Islets from newly-weaned mice displayed impaired glucose-stimulated insulin secretion, decreased insulin hormone gene expression, oxidative stress, and increased markers of cellular senescence. Our results suggest that GSH biosynthesis is essential for normal development of the mouse pancreatic islet, and that protection from oxidative stress-induced cellular senescence might prevent abnormal islet-cell damage during embryogenesis.