Abstract Maintenance of functional β-cell mass is critical to preventing diabetes, but the physiological mechanisms that cause β-cell populations to thrive or fail in the context of obesity are unknown. High fat-fed SM/J mice spontaneously transition from hyperglycemic-obese to normoglycemic-obese with age, providing a unique opportunity to study β-cell adaptation. Here, we characterize insulin homeostasis, islet morphology, and β-cell function during SM/J’s diabetic remission. As they resolve hyperglycemia, obese SM/J mice dramatically increase circulating and pancreatic insulin levels while improving insulin sensitivity. Immunostaining of pancreatic sections reveals that obese SM/J mice selectively increase β-cell mass but not α-cell mass. Obese SM/J mice do not show elevated β-cell mitotic index, but rather elevated α-cell mitotic index. Functional assessment of isolated islets reveals that obese SM/J mice increase glucose stimulated insulin secretion, decrease basal insulin secretion, and increase islet insulin content. These results establish that β-cell mass expansion and improved β-cell function underlie the resolution of hyperglycemia, indicating that obese SM/J mice are a valuable tool for exploring how functional β-cell mass can be recovered in the context of obesity.

ABSTRACT Parent-of-origin effects are unexpectedly common in complex traits, including metabolic and neurological diseases. Parent-of-origin effects can be modified by the environment, but the architecture of these gene-by-environmental effects on phenotypes remains to be unraveled. Previously, quantitative trait loci (QTL) showing context-specific parent-of-origin effects on metabolic traits were mapped in the F 16 generation of an advanced intercross between LG/J and SM/J inbred mice. However, these QTL were not enriched for known imprinted genes, suggesting another mechanism is needed to explain these parent-of-origin effects phenomena. We propose that non-imprinted genes can generate complex parent-of-origin effects on metabolic traits through interactions with imprinted genes. Here, we employ data from mouse populations at different levels of intercrossing (F 0 , F 1 , F 2 , F 16 ) of the LG/J and SM/J inbred mouse lines to test this hypothesis. Using multiple populations and incorporating genetic, genomic, and physiological data, we leverage orthogonal evidence to identify networks of genes through which parent-of-origin effects propagate. We identify a network comprised of 3 imprinted and 6 non-imprinted genes that show parent-of-origin effects. This epistatic network forms a nutritional responsive pathway and the genes comprising it jointly serve cellular functions associated with growth. We focus on 2 genes, Nnat and F2r , whose interaction associates with serum glucose levels across generations in high fat-fed females. Single-cell RNAseq reveals that Nnat and F2r are negatively correlated in pre-adipocytes along an adipogenic trajectory, a result that is consistent with our observations in bulk white adipose tissue.

Disruption of glucose homeostasis increases the risk of type II diabetes, cardiovascular disease, stroke, and cancer. We leverage a novel rodent model, the SM/J mouse, to understand glycemic control in obesity. On a high fat diet, obese SM/J mice initially develop impaired glucose tolerance and elevated fasting glucose. Strikingly, their glycemic dysfunction resolves by 30 weeks of age despite persistence of obesity. A prominent phenotype is that they dramatically expand their brown adipose depots as they resolve glycemic dysfunction. This occurs naturally and spontaneously on a high fat diet, with no temperature or genetic manipulation. When the brown adipose depot is removed from normoglycemic obese mice, fasting blood glucose and glucose tolerance revert to unhealthy levels, and animals become insulin resistant. We identified 267 genes whose expression changes in the brown adipose when the mice resolve their unhealthy glycemic parameters, and find the expanded tissue has a ‘healthier’ expression profile of cytokines and extracellular matrix genes. We describe morphological, physiological, and transcriptomic changes that occur during the unique brown adipose expansion and remission of glycemic dysfunction in obese SM/J mice. Understanding this phenomenon in mice will open the door for innovative therapies aimed at improving glycemic control in obesity.Significance Statement Some obese individuals maintain normal glycemic control. Despite being obese, these individuals have low risk for metabolic complications, including type-II diabetes. If we better understood why some obese people maintain normoglycemia then we might develop new approaches for treating metabolic complications associated with obesity. However, the causative factors underlying glycemic control in obesity remain unknown. We discovered that, despite persistence of the obese state, SM/J mice enter into diabetic remission: returning to normoglycemia and reestablishing glucose tolerance and improving insulin sensitivity. A prominent phenotype is that they dramatically expand their brown adipose depots as they resolve glycemic dysfunction. Understanding this phenomenon in mice will open the door for innovative therapies aimed at improving glycemic control in obesity.

Adipose is a dynamic endocrine organ that is critical for regulating metabolism and is highly responsive to nutritional environment. Brown adipose tissue is an exciting potential therapeutic target, however there are no systematic studies of gene-by-environment interactions affecting function of this organ. We leveraged a weighted gene co-expression network analysis to identify transcriptional networks in brown adipose tissue from LG/J and SM/J inbred mice fed high or low fat diets, and correlate these networks with metabolic phenotypes. We identified 8 primary gene network modules associated with variation in obesity and diabetes-related traits. Four modules were enriched for metabolically relevant processes such as immune and cytokine response, cell division, peroxisome functions, and organic molecule metabolic processes. The relative expression of genes in these modules is highly dependent on both genetic background and dietary environment. Genes in the immune/cytokine response and cell division modules are particularly highly expressed in high fat-fed SM/J mice, which show unique brown adipose-dependent remission of diabetes. The interconnectivity of genes in these modules is also heavily dependent on diet and strain, with most genes showing both higher expression and co-expression under the same context. We highlight 4 candidate genes, Col28a1, Cyp26b1, Bmp8b, and Kcnj14, that have distinct expression patterns among strain-by-diet contexts and fall under metabolic QTL previously mapped in an F16 generation of an advanced intercross between these two strains. Each of these genes have some connection to obesity and diabetes-related traits, but have not been studied in brown adipose tissue. In summary, our results provide important insights into the relationship between brown adipose and systemic metabolism by being the first gene-by-environment study of brown adipose transcriptional networks and introducing novel candidate genes for follow-up studies of biological mechanisms of action.