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.

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.

ABSTRACT Although mice are a very instrumental model in islet beta cell research, possible phenotypic differences between strains and substrains are largely neglected in the scientific community. In this study, we show important phenotypic differences in beta cell responses to glucose between NMRI, C57BL/6J, and C57BL/6N mice, i.e., the three most commonly used strains. High-resolution multicellular confocal imaging of beta cells in acute pancreas tissue slices was used to measure and quantitatively compare the calcium dynamics in response to a wide range of glucose concentrations. Strain- and substrain-specific features were found in all three phases of beta cell responses to glucose: a shift in the dose-response curve characterizing the delay to activation and deactivation in response to stimulus onset and termination, respectively, and distinct concentration-encoding principles during the plateau phase in terms of frequency, duration, and active time changes with increasing glucose concentrations. Our results underline the significance of carefully choosing and reporting the strain to enable comparison and increase reproducibility, emphasize the importance of analyzing a number of different beta cell physiological parameters characterizing the response to glucose, and provide a valuable standard for future studies on beta cell calcium dynamics in health and disease.