The combined actions of glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and truncated glucagon-like peptide-1 (tGLP-1) may fully account for the incretin effect. These hormones are released from the small intestine in response to oral glucose and stimulate insulin release. Recently, evidence has been provided demonstrating the degradation of GIP-(1-42) and GLP-1-(7-36)NH2 by the serum enzyme dipeptidyl peptidase IV (DPP IV) into the biologically inactive products GIP-(3-42) and GLP-1-(9-36)NH2. The objective of the current investigation was to develop a method to monitor the degradation of these hormones in vivo. Synthetic peptides were radiolabeled and purified by HPLC. Subsequent degradation of the peptides under various conditions was then monitored by further HPLC analysis. Incubation of [125I]GIP-(1-42) or [125I]GLP-1-(7-36)NH2 with Wistar rat serum or purified DPP IV resulted in the major N-terminal-truncated products [125I]GIP-(3-42) and [125I]GLP-1-(9-36)NH2. These products were significantly reduced when the specific DPP IV inhibitor diprotin A was included in the incubation mixture and were absent when serum from DPP IV-deficient rats was used. When the labeled peptides were infused into rats at hormone levels within the physiological range, over 50% was metabolized to the truncated forms within 2 min. These products were absent when the tracers were infused into DPP IV-deficient animals. It is concluded that DPP IV may be a primary inactivating enzyme of both GIP and tGLP-1 in vivo. As the N-terminal-truncated products of the DPP IV cleavage may not be distinguished from the biologically active hormone by currently employed assays, reports of circulating hormone levels should be reconsidered. The method described in this manuscript may be useful for investigating the durations of action of GIP and tGLP-1 in normal and pathophysiological conditions.

Previous studies indicate that leptin secretion is regulated by insulin-mediated glucose metabolism. Because fructose, unlike glucose, does not stimulate insulin secretion, we hypothesized that meals high in fructose would result in lower leptin concentrations than meals containing the same amount of glucose. Blood samples were collected every 30–60 min for 24 h from 12 normal-weight women on 2 randomized days during which the subjects consumed three meals containing 55, 30, and 15% of total kilocalories as carbohydrate, fat, and protein, respectively, with 30% of kilocalories as either a fructose-sweetened [high fructose (HFr)] or glucose-sweetened [high glucose (HGl)] beverage. Meals were isocaloric in the two treatments. Postprandial glycemic excursions were reduced by 66 ± 12%, and insulin responses were 65 ± 5% lower (both P < 0.001) during HFr consumption. The area under the curve for leptin during the first 12 h (−33 ± 7%; P < 0.005), the entire 24 h (−21 ± 8%; P < 0.02), and the diurnal amplitude (peak − nadir) (24 ± 6%; P < 0.0025) were reduced on the HFr day compared with the HGl day. In addition, circulating levels of the orexigenic gastroenteric hormone, ghrelin, were suppressed by approximately 30% 1–2 h after ingestion of each HGl meal (P < 0.01), but postprandial suppression of ghrelin was significantly less pronounced after HFr meals (P < 0.05 vs. HGl). Consumption of HFr meals produced a rapid and prolonged elevation of plasma triglycerides compared with the HGl day (P < 0.005). Because insulin and leptin, and possibly ghrelin, function as key signals to the central nervous system in the long-term regulation of energy balance, decreases of circulating insulin and leptin and increased ghrelin concentrations, as demonstrated in this study, could lead to increased caloric intake and ultimately contribute to weight gain and obesity during chronic consumption of diets high in fructose.

Diabetes is caused by a failure of the pancreas to produce insulin in amounts sufficient to meet the body's needs. A hallmark of diabetes is an absolute (type 1) or relative (type 2) reduction in the mass of pancreatic beta-cells that produce insulin. Mature beta-cells have a lifespan of approximately 48-56 days (rat) and are replaced by the replication of preexisting beta-cells and by the differentiation and proliferation of new beta-cells (neogenesis) derived from the pancreatic ducts. Here, we show that the insulinotropic hormone glucagon-like peptide (GLP)-1, which is produced by the intestine, enhances the pancreatic expression of the homeodomain transcription factor IDX-1 that is critical for pancreas development and the transcriptional regulation of the insulin gene. Concomitantly, GLP-1 administered to diabetic mice stimulates insulin secretion and effectively lowers their blood sugar levels. GLP-1 also enhances beta-cell neogenesis and islet size. Thus, in addition to stimulating insulin secretion, GLP-1 stimulates the expression of the transcription factor IDX-1 while stimulating beta-cell neogenesis and may thereby be an effective treatment for diabetes.

Diabetes is a chronic debilitating disease that results from insufficient production of insulin from pancreatic β-cells. Islet cell replacement can effectively treat diabetes but is currently severely limited by the reliance upon cadaveric donor tissue. We have developed a protocol to efficiently differentiate commercially available human embryonic stem cells (hESCs) in vitro into a highly enriched PDX1+ pancreatic progenitor cell population that further develops in vivo to mature pancreatic endocrine cells. Immature pancreatic precursor cells were transplanted into immunodeficient mice with streptozotocin-induced diabetes, and glycemia was initially controlled with exogenous insulin. As graft-derived insulin levels increased over time, diabetic mice were weaned from exogenous insulin and human C-peptide secretion was eventually regulated by meal and glucose challenges. Similar differentiation of pancreatic precursor cells was observed after transplant in immunodeficient rats. Throughout the in vivo maturation period hESC-derived endocrine cells exhibited gene and protein expression profiles that were remarkably similar to the developing human fetal pancreas. Our findings support the feasibility of using differentiated hESCs as an alternative to cadaveric islets for treating patients with diabetes.

Hyperinsulinemia is associated with obesity and pancreatic islet hyperplasia, but whether insulin causes these phenomena or is a compensatory response has remained unsettled for decades. We examined the role of insulin hypersecretion in diet-induced obesity by varying the pancreas-specific Ins1 gene dosage in mice lacking Ins2 gene expression in the pancreas, thymus, and brain. Age-dependent increases in fasting insulin and β cell mass were absent in Ins1+/−:Ins2−/− mice fed a high-fat diet when compared to Ins1+/+:Ins2−/− littermate controls. Remarkably, Ins1+/−:Ins2−/− mice were completely protected from diet-induced obesity. Genetic prevention of chronic hyperinsulinemia in this model reprogrammed white adipose tissue to express uncoupling protein 1 and increase energy expenditure. Normalization of adipocyte size and activation of energy expenditure genes in white adipose tissue was associated with reduced inflammation, reduced fatty acid spillover, and reduced hepatic steatosis. Thus, we provide genetic evidence that pathological circulating hyperinsulinemia drives diet-induced obesity and its complications.

In the genetic mutant mouse models ob/ob or db/db, leptin deficiency or resistance, respectively, results in severe obesity and the development of a syndrome resembling NIDDM. One of the earliest manifestations in these mutant mice is hyperinsulinemia, suggesting that leptin may normally directly suppress the secretion of insulin. Here, we show that pancreatic islets express a long (signal-transducing) form of leptin-receptor mRNA and that β-cells bind a fluorescent derivative of leptin (Cy3-leptin). The expression of leptin receptors on insulin-secreting β-cells was also visualized utilizing antisera generated against an extracellular epitope of the receptor. A functional role for the β-cell leptin receptor is indicated by our observation that leptin (100 ng/ml) suppressed the secretion of insulin from islets isolated from ob/ob mice. Furthermore, leptin produced a marked lowering of ]Ca2+]i in ob/ob β-cells, which was accompanied by cellular hyperpolarization and increased membrane conductance. Cell-attached patch measurements of ob/ob β-Cells demonstrated that leptin activated ATP-sensitive potassium channels (KATP) by increasing the open channel probability, while exerting no effect on mean open time. These effects were reversed by the sulfonylurea tolbutamide, a specific inhibitor of KATP. Taken together, these observations indicate an important physiological role for leptin as an inhibitor of insulin secretion and lead us to propose that the failure of leptin to inhibit insulin secretion from the β-Cells of ob/ob and db/db mice may explain, in part, the development of hyperinsulinemia, insulin resistance, and the progression to NIDDM.

Human embryonic stem cells (hESCs) are considered a potential alternative to cadaveric islets as a source of transplantable cells for treating patients with diabetes. We previously described a differentiation protocol to generate pancreatic progenitor cells from hESCs, composed of mainly pancreatic endoderm (PDX1/NKX6.1-positive), endocrine precursors (NKX2.2/synaptophysin-positive, hormone/NKX6.1-negative), and polyhormonal cells (insulin/glucagon-positive, NKX6.1-negative). However, the relative contributions of NKX6.1-negative versus NKX6.1-positive cell fractions to the maturation of functional β-cells remained unclear. To address this question, we generated two distinct pancreatic progenitor cell populations using modified differentiation protocols. Prior to transplant, both populations contained a high proportion of PDX1-expressing cells (~85%-90%) but were distinguished by their relatively high (~80%) or low (~25%) expression of NKX6.1. NKX6.1-high and NKX6.1-low progenitor populations were transplanted subcutaneously within macroencapsulation devices into diabetic mice. Mice transplanted with NKX6.1-low cells remained hyperglycemic throughout the 5-month post-transplant period whereas diabetes was reversed in NKX6.1-high recipients within 3 months. Fasting human C-peptide levels were similar between groups throughout the study, but only NKX6.1-high grafts displayed robust meal-, glucose- and arginine-responsive insulin secretion as early as 3 months post-transplant. NKX6.1-low recipients displayed elevated fasting glucagon levels. Theracyte devices from both groups contained almost exclusively pancreatic endocrine tissue, but NKX6.1-high grafts contained a greater proportion of insulin-positive and somatostatin-positive cells, whereas NKX6.1-low grafts contained mainly glucagon-expressing cells. Insulin-positive cells in NKX6.1-high, but not NKX6.1-low grafts expressed nuclear MAFA. Collectively, this study demonstrates that a pancreatic endoderm-enriched population can mature into highly functional β-cells with only a minor contribution from the endocrine subpopulation.