Abstract Aim/Hypothesis Long non-coding RNAs (lncRNAs) are emerging as crucial regulators of beta cell development and function. Here, we investigate roles for an antisense lncRNA expressed from the Pax6 locus (annotated as Pax6os1 in mice and PAX6-AS1 in humans) in beta cell identity and functionality. Methods Pax6os1 expression was silenced in MIN6 cells using siRNAs and changes in gene expression were determined by RNA sequencing or qRT-PCR. Mice inactivated for Pax6os1 and human PAX6-AS1 -null EndoC-βH1 cells, were generated using CRISPR/Cas9 technology. Human islets were infected with lentiviral vectors bearing a targeted shRNA or PAX6-AS1 , which were used to silence or overexpress, respectively, the lncRNA. RNA sequencing or RT-qPCR were used to measure transcriptomic changes and RNA pulldown in mice and human cells followed by mass spectrometry/western blot were performed to explore RNA protein interactions. Results Pax6os1/PAX6-AS1 expression was upregulated at high glucose concentrations in derived beta cell lines as well as in mouse and human islets, and in pancreatic islets isolated from mice fed a high fat diet (n=6, p=0.003) and patients with type 2 diabetes (n=11-5, p<0.01). Silencing or deletion of Pax6os1 / PAX6-AS1 in MIN6 or EndoC-βH1cells increased the expression of several β-cell signature genes, including PDX1 and INS . Female, but not male, Pax6os1 null mice fed a high fat diet showed slightly enhanced glucose clearance. ShRNA-mediated silencing of PAX6-AS1 in human islets robustly increased INS mRNA, enhanced glucose-stimulated insulin secretion and calcium dynamics, while overexpression of the lncRNA exerted opposing effects. Pax6os1/AS-1 interacted with histones H3 and H4 in mouse and human cells, indicating a possible role for this lncRNA in histone modifications in both species. Conclusions Increased expression of PAX6-AS1 at high glucose levels may impair beta cell functionality and thus contribute to the development of type 2 diabetes. Thus, targeting PAX6-AS1 may provide a promising strategy to enhance insulin secretion and improve glucose homeostasis in this disease. Research in context What is already known about the subject? Long non-coding RNAs (lncRNAs) are crucial components of the pancreatic islet regulome, whose misexpression may contribute to the development of diabetes. What is the key question? Is the lncRNA Pax6os1/PAX6-AS1 involved in beta cell functionality and type 2 diabetes? What are the new findings? The expression of Pax6os1/PAX6-AS1 is upregulated in mice fed a high fat diet and in pancreatic islets from type 2 diabetes donors. Overexpression of PAX6-AS1 in human pancreatic islets reduces insulin expression, glucose stimulated secretion and intracellular calcium dynamics. Silencing PAX6-AS1 in human pancreatic islets upregulates insulin expression, enhances glucose stimulated insulin secretion and increases intracellular calcium dynamics. How may this impact the clinic in the foreseeable future? Understanding the genetic factors induced by high glucose/obesity involved in beta cell dysfunction is crucial for the development of new therapies to treat T2D.

Abstract Aims/hypothesis Mitochondrial glucose metabolism is essential for stimulated insulin release from pancreatic beta cells. Whether mitochondrial networks may be important for glucose or incretin sensing has yet to be determined. Methods Here, we generated mice with beta cell-selective, adult-restricted deletion of the mitofusin genes Mfn1 and Mfn2 (β Mfn1/2 dKO). Whole or dissociated pancreatic islets were used for live beta cell fluorescence imaging of cytosolic or mitochondrial Ca 2+ concentration and ATP production or GSIS in response to increasing glucose concentrations or GLP-1 receptor agonists. Serum and blood samples were collected to examine oral and i.p. glucose tolerance. Results β Mfn1/2 dKO mice displayed elevated fed and fasted glycaemia (p<0.01, p<0.001) and a >five-fold decrease (p<0.0001) in plasma insulin. Mitochondrial length, glucose-induced polarisation, ATP synthesis and cytosolic Ca 2+ increases were all reduced (p<0.05,p<0.01,p<0.0001) in dKO islets, and beta cell Ca 2+ dynamics were suppressed in vivo (p<0.001). In contrast, oral glucose tolerance was near normal in β Mfn1/2 dKO mice (p<0.05, p<0.01) and GLP-1 or GIP receptor agonists largely corrected defective GSIS from isolated islets through an EPAC-dependent signalling activation. Conclusions/interpretation Mitochondrial fusion and fission cycles are thus essential in the beta cell to maintain normal glucose, but not incretin, sensing. Defects in these cycles in some forms of diabetes might therefore provide opportunities for novel incretin-based or other therapies. Graphical abstract Impact of Mfn1/2 deletion on glucose and incretin stimulated-insulin secretion in beta cells. (A) In control animals, glucose is taken up by beta cells through GLUT2 and metabolised by mitochondria (elongated structure) through the citrate (TCA) cycle, leading to an increased mitochondrial proton motive force (hyperpolarised Δψm), accelerated ATP synthesis and O2 consumption rate (OCR). Consequently, the cytoplasmic ATP:ADP ratio rises, which causes closure of KATP channels, depolarisation of plasma membrane potential (ψm), opening of VDCCs and influx of cytosolic Ca 2+ . Elevated [Ca 2+ ]cyt triggers a number of ATP-dependent processes including insulin secretion and improved beta-beta cell communication through connexin 36 (Cx36). (B) Following Mfn1/2 deletion (β Mfn1/2 dKO), highly fragmented mitochondria were associated with reduced mitochondrial Ca 2+ ([Ca 2+ ]m) accumulation, leading to a less polarised Δψm, weaker OCR, lower mtDNA copy number and decreased ATP synthesis. This is expected to result in weaker ψm depolarisation, cytosolic Ca 2+ influx and beta-beta cell connectivity due to lower expression of Cx36. Despite observing a higher number of docked insulin granules on the plasma membrane, insulin secretion was highly suppressed in these animals. This was also associated with increased beta cell death and reduced beta cell mass. (C) In response to incretins, insulin secretion is potentiated through the activation of GLP1-R and cAMP signalling involving PKA- and EPAC2-dependent pathways. Elevated [Ca 2+ ]cyt triggers a number of ATP-dependent processes including insulin secretion and Ca2+ removal into the endoplasmic reticulum (ER).(D) In β Mfn1/2 dKO cells, activation of the GLP1-R was shown to be linked with a potentiation of the EPAC2 pathway that is PKA independent, along with an increased ER Ca 2+ uptake and improved beta-beta cell communication. How these ‘amplifying’ signals of glucose metabolism for insulin secretion are linked with fragmented mitochondria remains unknown. Red and bold arrows represent enhanced pathways; dashed arrows represent impaired pathways. This figure was produced using illustrations from Servier Medical Art, http://smart.servier.com/ Research in context What is already known about this subject? Mitochondrial ultrastructural variations and number are altered in beta cells of human T2D patients [1]. Mice lacking Opa1 , which controls mitochondrial fusion and inner membrane cristae structure, in beta cells, develop hyperglycaemia and defects in GSIS [2]. What is the key question? Is an interconnected mitochondrial network essential in primary mouse beta cells for normal insulin secretion and glucose homeostasis? What are the new findings? We generated mice with beta cell-selective, adult-restricted deletion of the mitofusin genes Mfn1 and Mfn2 and show that insulin secretion and glucose homeostasis are strongly reduced in vivo . Cytosolic and mitochondrial Ca 2+ increases, Δψ m , ATP production and beta cell connectivity are impaired in β Mfn1/2 dKO animals. Incretins bypass the above defects through an exchange protein directly activated by cAMP (EPAC)-dependent signalling mechanism. How might this impact on clinical practice in the foreseeable future? The ability of incretins to bypass defects in mitochondrial function might be exploited by the design of new agonists which target this pathway.

Abstract Bariatric surgery improves both insulin sensitivity and secretion in type 2 diabetes. However, these changes are difficult to monitor directly and independently. In particular, the degree and the time course over which surgery impacts β cell function, versus mass, have been difficult to establish. In this study, we investigated the effect of bariatric surgery on β cell function in vivo by imaging Ca 2+ dynamics prospectively and at the single cell level in islets engrafted into the anterior eye chamber. Islets expressing GCaMP6f selectively in the β cell were transplanted into obese male hyperglycaemic mice that were then subjected to either vertical sleeve gastrectomy (VSG) or sham surgery. Imaged in vivo in the eye, VSG improved coordinated Ca 2+ activity, with 90% of islets observed exhibiting enhanced Ca 2+ wave activity ten weeks post-surgery, while islet wave activity in sham animals fell to zero discernible coordinated islet Ca 2+ activity at the same time point. Correspondingly, VSG mice displayed significantly improved glucose tolerance and insulin secretion. Circulating fasting levels of GLP-1 were also increased after surgery, potentially contributing to improved β cell performance. We thus demonstrate that bariatric surgery leads to time-dependent increases in individual β cell function and intra-islet connectivity, together driving increased insulin secretion and diabetes remission, in a weight-loss independent fashion. Significance Statement Used widely to treat obesity, bariatric surgery also relieves the symptoms of type 2 diabetes. The mechanisms involved in diabetes remission are still contested, with increased insulin sensitivity and elevated insulin secretion from pancreatic β cells both implicated. Whilst the speed of remission – usually within a few days – argues for improvements in β cell function rather than increases in mass, a direct demonstration of changes at the level of individual β cells or islets has been elusive. Here, we combine vertical sleeve gastrectomy with intravital imaging of islets engrafted into the mouse anterior eye chamber to reveal that surgery causes a time-dependent improvement in glucose-induced Ca 2+ dynamics and β cell - β cell connectivity, both of which likely underlie increased insulin release.

ABSTRACT Impaired pancreatic β-cell function and insulin secretion are hallmarks of type 2 diabetes. MicroRNAs are short non-coding RNAs that silence gene expression, vital for the development and function of β-cells. We have previously shown that β-cell specific deletion of the important energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) results in increased miR-125b-5p levels. Nevertheless, the function of this miRNA in β-cells is unclear. We hypothesized that miR-125b-5p expression is regulated by glucose and that this miRNA mediates some of the deleterious effects of hyperglycaemia in β-cells. Here we show that islet miR-125b-5p expression is up-regulated by glucose in an AMPK-dependent manner and that short-term miR-125b-5p overexpression impairs glucose stimulated insulin secretion (GSIS) in the mouse insulinoma MIN6 cells and in human islets. An unbiased high-throughput screen in MIN6 cells identified multiple miR-125b-5p targets, including the transporter of lysosomal hydrolases M6pr and the mitochondrial fission regulator Mtfp1 . Inactivation of miR-125b-5p in the human β-cell line EndoCβ-H1 shortened mitochondria and enhanced GSIS, whilst mice overexpressing miR-125b-5p selectively in β-cells (MIR125B-Tg) were hyperglycaemic and glucose intolerant. MIR125B-Tg β-cells contained enlarged lysosomal structures and showed reduced insulin content and secretion. Collectively, we identify miR-125b as a glucose-controlled regulator of organelle dynamics that modulates insulin secretion. Graphical abstract

Abstract Variants close to the VPS13C/C2CD4A/C2CD4B locus are associated with altered risk of type 2 diabetes in genome-wide association studies. Whilst previous functional work has suggested roles for VPS13C and C2CD4A in disease development, none has explored the role of C2CD4B . Here, we show that systemic inactivation of C2cd4b in mice leads to marked, but highly sexually dimorphic, changes in body weight and glucose homeostasis. Female C2cd4b mice display unchanged body weight but abnormal glucose tolerance and defective in vivo, but not in vitro, insulin secretion, associated with a marked decrease in follicle stimulating hormone levels. In sharp contrast, male C2cd4b null mice displayed normal glucose tolerance but an increase in body weight and fasting glycemia after maintenance on high fat diet. No metabolic disturbances were observed after global inactivation of C2cd4a in mice, or in pancreatic β cell function at larval stages in C2cd4ab null zebrafish. These studies suggest that C2cd4b may act centrally to influence sex-dependent circuits which control pancreatic β cell function and glucose tolerance in rodents. However, the absence of sexual dimorphism in the impact of diabetes risk variants argues for additional roles for C2CD4A or VPS13C in the control of glucose homeostasis in man.

ABSTRACT Levels of the transcription factor ATF6α, a key mediator of the unfolded protein response, that provides cellular protection during the progression endoplasmic reticulum (ER) stress, are markedly reduced in the pancreatic islet of patients with type 2 diabetes and in rodent models of the disease, including ob/ob and high fat-fed mice. Sorcin (gene name SRI ) is a calcium (Ca 2+ ) binding protein involved in maintaining ER Ca 2+ homeostasis. We have previously shown that overexpressing sorcin under the rat insulin promoter in transgenic mice was protective against high fat diet-induced pancreatic beta cell dysfunction, namely preserving intracellular Ca 2+ homeostasis and glucose-stimulated insulin secretion during lipotoxic stress. Additionally, sorcin overexpression was apparently activating ATF6 signalling in MIN6 cells despite lowering ER stress. Here, in order to investigate further the relationship between sorcin and ATF6, we describe changes in sorcin expression during ER and lipotoxic stress and changes in ATF6 signalling after sorcin overexpression or inactivation, both in excitable and non-excitable cells. Sorcin mRNA levels were significantly increased in response to the ER stress-inducing agents thapsigargin and tunicamycin, but not by palmitate. On the contrary, palmitate caused a significant decrease in sorcin expression as assessed by both qRT-PCR and Western blotting despite inducing ER stress. Moreover, palmitate prevented the increase in sorcin expression induced by thapsigargin. In addition, sorcin overexpression significantly increased ATF6 transcriptional activity, whereas sorcin inactivation decreased ATF6 signalling. Finally, sorcin overexpression increased levels of ATF6 immunoreactivity and FRET imaging experiments following ER stress induction by thapsigargin showed a direct sorcin-ATF6 interaction. Altogether, our data suggest that sorcin down-regulation during lipotoxicity may prevent full ATF6 activation and a normal UPR during the progression of obesity and insulin resistance, contributing to beta cell failure and type 2 diabetes.

Abstract Background Glucocorticoids produced by the adrenal cortex are essential for the maintenance of metabolic homeostasis. Glucocorticoid activation is catalyzed by 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 1 (11β-HSD1) and signalling is achieved through the glucocorticoid receptor (GR), a ligand-dependent transcription factor. Excess glucocorticoids are associated with insulin resistance and hyperglycaemia. A small number of studies have investigated the effects of bariatric surgery, a gastrointestinal procedure known to improve insulin sensitivity, on glucocorticoid metabolism, but the hypothesised mechanism is assumed to be via weight loss. Aim To investigate the effect of bariatric surgery on glucocorticoid metabolism in lean and obese mice. Methods Lean mice and HFD mice underwent Vertical Sleeve Gastrectomy (VSG) or sham surgery. Glucose and insulin tolerance tests were performed at four and ten weeks post operatively and circulating corticosterone was measured. Liver and adipose tissues were harvested from fed mice and 11β-HSD1 and GR levels were measured by quantitative RT-PCR or Western (immuno-) blotting, respectively. Results VSG did not cause excess weight loss in lean mice when compared to sham operated mice. However, both lean and HFD VSG mice displayed significantly improved glucose clearance and insulin sensitivity. Remarkably, VSG restores physiological corticosterone production in HFD mice and reduces11β-HSD1 levels at four and ten weeks post-surgery. Additionally, lean mice displayed significantly lowered mRNA levels of 11β-HSD1 in subcutaneous adipose tissue and GR in liver. Conclusions Bariatric surgery improves insulin sensitivity and reduces glucocorticoid activation at tissular level, under physiological and pathophysiological (obesity) conditions, irrespective of weight loss. The reduction of glucocorticoid exposure may represent an additional contribution to the health benefits of bariatric surgery. These findings point towards a physiologically relevant gut-adrenal axis.

Abstract Aims Spatially-organised increases in cytosolic Ca 2+ within pancreatic beta cells in the pancreatic islet underlie the stimulation of insulin secretion by high glucose. Recent data have revealed the existence of subpopulations of beta cells including “leaders” which initiate Ca 2+ waves. Whether leader cells possess unique molecular features, or localisation, is unknown. Main methods High speed confocal Ca 2+ imaging was used to identify leader cells and connectivity analysis, running under MATLAB and Python, to identify highly connected “hub” cells. To explore transcriptomic differences between beta cell sub-groups, individual leaders or followers were labelled by photo-activation of the cryptic fluorescent protein PA-mCherry and subjected to single cell RNA sequencing (“Flash-Seq”). Key findings Distinct Ca 2+ wave types were identified in individual islets, with leader cells present in 73 % (28 of 38 islets imaged). Scale-free, power law-adherent behaviour was also observed in 29% of islets, though “hub” cells in these islets did not overlap with leaders. Transcripts differentially expressed (295; padj<0.05) between leader and follower cells included genes involved in cilium biogenesis and transcriptional regulation. Functionally validating these findings, cilia number and length tended to be lower in leader vs follower cells. Leader cells were also located significantly closer to delta cells in Euclidian space than were follower cells. Significance The existence of both a discrete transcriptome and unique localisation implies a role for these features in defining the specialized function of leaders. Specifically, these data raise the possibility of altered signalling from delta cells towards somatostatin receptors present on leader cell cilia.

ABSTRACT Background So luble R esistance Related C alcium B in ding Protein (sorcin) is a calcium (Ca 2+ ) binding protein which has been shown to play a role in maintaining intracellular endoplasmic reticulum (ER) Ca 2+ stores and lowering ER stress. Recently, our lab has demonstrated that sorcin expression was downregulated in the islets of Langerhans of mice fed a high-fat diet or in human islets incubated with the saturated fatty acid palmitate. We also showed that overexpression of sorcin under control of the rat insulin promoter (RIP7) in C57BL/6J mice, or whole body sorcin deletion in 129S1/SvImJ mice, improves or impairs insulin secretion and pancreatic β-cell function respectively. The mechanisms behind this beneficial role of sorcin in the pancreatic β-cell might depend on protection against lipotoxic endoplasmic reticulum (ER) stress through improved ER Ca 2+ dynamics and activation of the Activating Transcription Factor 6 (ATF6) branch of the unfolded protein response (UPR). Whether sorcin is also implicated in hypothalamic ER stress during the progression of obesity is unknown. This could potentially contribute to the diminished satiety typically observed in overweight individuals. Aim To investigate a potential role of sorcin in hypothalamic ER stress, leptin resistance, hyperphagia and obesity. Methods Whole-body sorcin null mice, backcrossed onto the C57BL/6J genetic background, were used. Body weight, food intake and EchoMRI body composition were measured in vivo whereas qRT-PCR analysis of sorcin and ER stress markers expression were performed on the arcuate nucleus of the hypothalamus. Leptin signalling through STAT3 phosphorylation was measured by Western blots on sorcin-null HEK293 cells, engineered by CRISPR/Cas9, and transfected with leptin receptor (LepRb). Results Sorcin expression was not influenced in the arcuate nucleus (ARC) of the hypothalamus by diet-induced obesity. Whole-body sorcin ablation did not cause ARC ER stress nor changes in body weight, body composition or food intake in C57BL/6 male mice exposed to a high-fat, high-sugar diet. STAT3 phosphorylation (Y705) in response to leptin was not impaired in sorcin-null HEK293 cells. Conclusion In our model, whole body sorcin ablation did not increase hypothalamic ER stress nor influenced food intake or body weight.

Abstract Mitochondrial oxidative metabolism is central to glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). Whether Ca 2+ uptake into pancreatic β-cell mitochondria potentiates or antagonises this process is still a matter of debate. Although the mitochondrial importer (MCU) complex is thought to represent the main route for Ca 2+ transport across the inner mitochondrial membrane, its role in β-cells has not previously been examined in vivo . Here, we inactivated the pore-forming subunit MCUa (MCU) selectively in the β-cell in mice using Ins1 Cre-mediated recombination. Glucose-stimulated mitochondrial Ca 2+ accumulation, ATP production and insulin secretion were strongly (p<0.05 and p<0.01) inhibited in MCU null animals (βMCU-KO) in vitro . Interestingly, cytosolic Ca 2+ concentrations increased (p<0.001) whereas mitochondrial membrane depolarisation improved in βMCU-KO animals. Male βMCU-KO mice displayed impaired in vivo insulin secretion at 5 (p<0.001) but not 15 min. post intraperitoneal (IP) injection of glucose while the opposite phenomenon was observed following an oral gavage at 5 min. Unexpectedly, glucose tolerance was improved (p<0.05) in young βMCU-KO (<12 weeks), but not older animals. We conclude that MCU is crucial for mitochondrial Ca 2+ uptake in pancreatic β-cells and is required for normal GSIS. The apparent compensatory mechanisms which maintain glucose tolerance in βMCU-KO mice remain to be established.