Abstract Transcriptional and functional cellular specialization has been described for insulin-secreting β-cells of the endocrine pancreas. However, it is not clear whether β-cell heterogeneity is stable or reflects dynamic cellular states. We investigated the temporal kinetics of endogenous insulin gene activity using live cell imaging, with complementary experiments employing FACS and single cell RNA sequencing, in β-cells from Ins2 GFP knock-in mice. In vivo staining and FACS analysis of islets from Ins2 GFP mice confirmed that at a given moment, ~25% of β-cells exhibited significantly higher activity at the conserved insulin gene Ins2. Live cell imaging captured Ins2 gene activity dynamics in single β-cells over days. Autocorrelation analysis revealed a subset of cells with oscillating behavior, with mean oscillation periods of 17 hours. Increased glucose concentrations stimulated more cells to oscillate and resulted in higher average Ins2 gene activity per cell. Single cell RNA sequencing showed that Ins2 (GFP) HIGH β-cells were enriched for markers of β-cell maturity. Ins2 (GFP) HIGH β-cells were also significantly less viable at all glucose concentrations and in the context of ER stress. Collectively, our results demonstrate that the heterogeneity of insulin production, observed in mouse and human β-cells, can be accounted for by dynamic states of insulin gene activity. Blurb Previously reported pancreatic β-cell heterogeneity reflects β-cell state transitions.

Summary Human embryonic stem cells (hESCs) are a potential unlimited source of insulin-producing β-cells for diabetes treatment. A greater understanding of how β-cells form during embryonic development will improve current hESC differentiation protocols. As β-cells are formed from NEUROG3-expressing endocrine progenitors, this study focused on characterizing the single-cell transcriptomes of mouse and hESC-derived endocrine progenitors. To do this, 7,223 E15.5 and 6,852 E18.5 single cells were isolated from Neurog3-Cre; Rosa26 mT/ mG embryos, allowing for enrichment of endocrine progenitors (yellow; tdTomato + EGFP) and endocrine cells (green; EGFP). From a NEUROG3-2A-eGFP CyT49 hESC reporter line (N5-5), 4,497 hESC-derived endocrine progenitor cells were sequenced. Differential expression analysis reveals enrichment of markers that are consistent with progenitor, endocrine, or novel cell-state populations. This study characterizes the single-cell transcriptomes of mouse and hESC-derived endocrine progenitors and serves as a resource ( https://lynnlab.shinyapps.io/embryonic_pancreas/ ) for improving the formation of functional β-like cells from hESCs.

ABSTRACT Genome-wide association studies have identified hundreds of signals for type 2 diabetes (T2D), most of which confer risk through effects on gene expression. We previously identified the transcription factor ZMIZ1 as a probable effector transcript in human islets, but how altered ZMIZ1 expression impacts T2D risk is unknown. We now show that islets from carriers of the T2D-risk alleles have reduced islet insulin content and glucose-stimulated insulin secretion. To elucidate the mechanism for islet-cell dysfunction, we generated β-cell-specific Zmiz1 knockout (Zmiz1 βKO ) mice. Male and female Zmiz1 βKO mice were glucose intolerant with impaired insulin secretion, compared with control littermates. Transcriptomic profiling of Zmiz1 βKO islets identified over 500 differentially expressed genes including those involved in β-cell function and maturity which we confirmed at the protein level. After high fat feeding, Zmiz1 βKO mice fail to expand β-cell mass and become severely diabetic. Thus, Zmiz1 is required for normal glucose homeostasis and may contribute to T2D risk by maintaining a mature β-cell state and allowing islet mass expansion upon metabolic stress.

Abstract Diabetes is a major chronic disease with an excessive healthcare burden on society 1 . A coding variant (p.Arg192His) in the transcription factor PAX4 is uniquely and reproducibly associated with an altered risk for type 2 diabetes (T2D) in East Asian populations 2–7 , whilst rare PAX4 alleles have been proposed to cause monogenic diabetes 8 . In mice, Pax4 is essential for beta cell formation but neither the role of diabetes-associated variants in PAX4 nor PAX4 itself on human beta cell development and/or function are known. Here, we demonstrate that non-diabetic carriers of either the PAX4 p.Arg192His or a newly identified p.Tyr186X allele exhibit decreased pancreatic beta cell function. In the human beta cell model, EndoC-βH1, PAX4 knockdown led to impaired insulin secretion, reduced total insulin content, and altered hormone gene expression. Deletion of PAX4 in isogenic human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived beta-like cells resulted in derepression of alpha cell gene expression whilst in vitro differentiation of hiPSCs from carriers of PAX4 p.His192 and p.X186 alleles exhibited increased polyhormonal endocrine cell formation and reduced insulin content. In silico and in vitro studies showed that these PAX4 alleles cause either reduced PAX4 expression or function. Correction of the diabetes-associated PAX4 alleles reversed these phenotypic changes. Together, we demonstrate the role of PAX4 in human endocrine cell development, beta cell function, and its contribution to T2D-risk.

Abstract Aims/hypothesis Genome-wide studies have uncovered multiple independent signals at the RREB1 locus associated with altered type 2 diabetes risk and related glycemic traits. However, little is known about the function of the zinc finger transcription factor RREB1 in glucose homeostasis or how changes in its expression and/or function influence diabetes risk. Methods A zebrafish model lacking rreb1a and rreb1b was used to study the effect of RREB1 loss in vivo . Using transcriptomic and cellular phenotyping of a human beta cell model (EndoC-βH1) and human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived beta-like cells, we investigated how loss of RREB1 expression and activity affects pancreatic endocrine cell development and function. Ex vivo measurements of human islet function were performed in donor islets from carriers of RREB1 T2D-risk alleles. Results CRISPR-Cas9-mediated loss of rreb1a and rreb1b function in zebrafish supports an in vivo role for the transcription factor in beta cell mass, beta cell insulin expression, and glucose levels. Loss of RREB1 reduced insulin gene expression and cellular insulin content in EndoC-βH1 cells, and impaired insulin secretion under prolonged stimulation. Transcriptomic analysis of RREB1 knockdown and knockout EndoC-βH1 cells supports RREB1 as a novel regulator of genes involved in insulin secretion. In vitro differentiation of RREB1 KO/KO hiPSCs revealed a dysregulation of pro-endocrine cell genes, including RFX family members, suggesting that RREB1 also regulates genes involved in endocrine cell development. Human donor islets from carriers of T2D-risk alleles in RREB1 have altered glucose-stimulated insulin secretion ex vivo , consistent with RREB1 regulating islet cell function. Conclusions/interpretation Together, our results indicate that RREB1 regulates beta cell function by transcriptionally regulating the expression of genes involved in beta cell development and function. Research in context What is already known about this subject? Human genetic variation in RREB1 is associated with altered diabetes risk, variation in glycemic, and anthropometric traits RREB1 is a transcription factor that binds to Ras-responsive elements and is expressed in multiple diabetes relevant tissues, including pancreatic islets What is the key question? How does altered expression or function of RREB1 influence diabetes risk? What are the new findings? Knockdown and knockout of RREB1 in mature human EndoC-βH1 cells reduces expression of insulin transcript and cellular content, as well as insulin secretion under prolonged stress Carriers of the T2D-risk RREB1 coding allele trend towards reduced insulin content, but have improved glucose-stimulated insulin secretion A loss-of-function zebrafish model suggests that RREB1 is required for insulin expression How might this impact on clinical practice in the foreseeable future? RREB1 controls beta cell function and whole-body glucose homeostasis by transcriptionally regulating the development and function of pancreatic beta cells

Inducible pluripotent stem cell–derived human β-like cells (BLCs) hold promise for both therapy and disease modeling, but their generation remains challenging and their functional analyses beyond transcriptomic and morphological assessments remain limited. Here, we validate an approach using multicellular and single-cell electrophysiological tools to evaluate function of BLCs from pioneer protocols that can be easily adapted to more differentiated BLCs. The multi-electrode arrays (MEAs) measuring the extracellular electrical activity revealed that BLCs, like primary β-cells, are electrically coupled and produce slow potential (SP) signals that are closely linked to insulin secretion. We also used high-resolution single-cell patch clamp measurements to capture the exocytotic properties, and characterize voltage-gated sodium and calcium currents, and found that they were comparable with those in primary β- and EndoC-βH1 cells. The KATP channel conductance is greater than in human primary β-cells, which may account for the limited glucose responsiveness observed with MEA. We used MEAs to study the impact of the type 2 diabetes–protective SLC30A8 allele (p.Lys34Serfs50*) and found that BLCs with this allele have stronger electrical coupling activity. Our data suggest that BLCs can be used to evaluate the functional impact of genetic variants on β-cell function and coupling. Article Highlights

There are multiple independent genetic signals at the

iPSC-derived human β-like cells (BLC) hold promise for both therapy and disease modelling, but their generation remains challenging and their functional analyses beyond transcriptomic and morphological assessments remain limited. Here, we validate an approach using multicellular and single cell electrophysiological tools to evaluate BLCs functions. The Multi-Electrode Arrays (MEAs) measuring the extracellular electrical activity revealed that BLCs are electrically coupled, produce slow potential (SP) signals like primary β-cells that are closely linked to insulin secretion. We also used high-resolution single-cell patch-clamp measurements to capture the exocytotic properties, and characterize voltage-gated sodium and calcium currents. These were comparable to those in primary β and EndoC-βH1 cells. The KATP channel conductance is greater than in human primary β cells which may account for the limited glucose responsiveness observed with MEA. We used MEAs to study the impact of the type 2 diabetes protective SLC30A8 allele (p.Lys34Serfs*50) and found that BLCs with this allele have stronger electrical coupling. Our data suggest that with an adapted approach BLCs from pioneer protocol can be used to evaluate the functional impact of genetic variants on β-cell function and coupling.

A rare loss-of-function variant p.Arg138* in SLC30A8 encoding the zinc transporter 8 (ZnT8) enriched in Western Finland protects against type 2 diabetes (T2D). We recruited relatives of the identified carriers and showed that protection was associated with better insulin secretion due to enhanced glucose responsiveness and proinsulin conversion, especially compared with individuals matched for the genotype of a common T2D risk variant in SLC30A8, p.Arg325. In genome-edited human IPS-derived β-like cells, we establish that the p.Arg138* variant results in reduced SLC30A8 expression due to haploinsufficiency. In human β-cells loss of SLC30A8 leads to increased glucose responsiveness and reduced KATP channel function, which was also seen in isolated islets from carriers of the T2D-protective allele p.Trp325. These data position ZnT8 as an appealing target for treatment aiming at maintaining insulin secretion capacity in T2D.