Protein-restricted (PR), high-carbohydrate diets improve metabolic health in rodents, yet the precise dietary components that are responsible for these effects have not been identified. Furthermore, the applicability of these studies to humans is unclear. Here, we demonstrate in a randomized controlled trial that a moderate PR diet also improves markers of metabolic health in humans. Intriguingly, we find that feeding mice a diet specifically reduced in branched-chain amino acids (BCAAs) is sufficient to improve glucose tolerance and body composition equivalently to a PR diet via metabolically distinct pathways. Our results highlight a critical role for dietary quality at the level of amino acids in the maintenance of metabolic health and suggest that diets specifically reduced in BCAAs, or pharmacological interventions in this pathway, may offer a translatable way to achieve many of the metabolic benefits of a PR diet.

We recently found that feeding healthy mice a diet with reduced levels of branched-chain amino acids (BCAAs), which are associated with insulin resistance in both humans and rodents, modestly improves glucose tolerance and slows fat mass gain. In the present study, we show that a reduced BCAA diet promotes rapid fat mass loss without calorie restriction in obese mice. Selective reduction of dietary BCAAs also restores glucose tolerance and insulin sensitivity to obese mice, even as they continue to consume a high-fat, high-sugar diet. A low BCAA diet transiently induces FGF21 (fibroblast growth factor 21) and increases energy expenditure. We suggest that dietary protein quality (i.e. the precise macronutrient composition of dietary protein) may impact the effectiveness of weight loss diets.Obesity and diabetes are increasing problems around the world, and although even moderate weight loss can improve metabolic health, reduced calorie diets are notoriously difficult to sustain. Branched-chain amino acids (BCAAs; leucine, isoleucine and valine) are elevated in the blood of obese, insulin-resistant humans and rodents. We recently demonstrated that specifically reducing dietary levels of BCAAs has beneficial effects on the metabolic health of young, growing mice, improving glucose tolerance and modestly slowing fat mass gain. In the present study, we examine the hypothesis that reducing dietary BCAAs will promote weight loss, reduce adiposity, and improve blood glucose control in diet-induced obese mice with pre-existing metabolic syndrome. We find that specifically reducing dietary BCAAs rapidly reverses diet-induced obesity and improves glucoregulatory control in diet-induced obese mice. Most dramatically, mice eating an otherwise unhealthy high-calorie, high-sugar Western diet with reduced levels of BCAAs lost weight and fat mass rapidly until regaining a normal weight. Importantly, this normalization of weight was mediated not by caloric restriction or increased activity, but by increased energy expenditure, and was accompanied by a transient induction of the energy balance regulating hormone FGF21 (fibroblast growth factor 21). Consumption of a Western diet reduced in BCAAs was also accompanied by a dramatic improvement in glucose tolerance and insulin resistance. Our results link dietary BCAAs with the regulation of metabolic health and energy balance in obese animals, and suggest that specifically reducing dietary BCAAs may represent a highly translatable option for the treatment of obesity and insulin resistance.

Paracrine interactions between pancreatic islet cells have been proposed as a mechanism to regulate hormone secretion and glucose homeostasis. Here, we demonstrate the importance of proglucagon-derived peptides (PGDPs) for α to β cell communication and control of insulin secretion. Signaling through this system occurs through both the glucagon-like peptide receptor (Glp1r) and glucagon receptor (Gcgr). Loss of PGDPs, or blockade of their receptors, decreases insulin secretion in response to both metabolic and nonmetabolic stimulation of mouse and human islets. This effect is due to reduced β cell cAMP and affects the quantity but not dynamics of insulin release, indicating that PGDPs dictate the magnitude of insulin output in an isolated islet. In healthy mice, additional factors that stimulate cAMP can compensate for loss of PGDP signaling; however, input from α cells is essential to maintain glucose tolerance during the metabolic stress induced by high-fat feeding. These findings demonstrate an essential role for α cell regulation of β cells, raising the possibility that abnormal paracrine signaling contributes to impaired insulin secretion in diabetes. Moreover, these findings support reconsideration of the role for α cells in postprandial glucose control.

ABSTRACT Using 13 C 6 glucose labeling coupled to GC-MS and 2D 1 H- 13 C HSQC NMR spectroscopy, we have obtained a comparative high-resolution map of glucose fate underpinning β cell function. In both mouse and human islets, the contribution of glucose to the TCA cycle is similar. Pyruvate-fueling of the TCA cycle is primarily mediated by the activity of pyruvate dehydrogenase, with lower flux through pyruvate carboxylase. While conversion of pyruvate to lactate by lactate dehydrogenase (LDH) can be detected in islets of both species, lactate accumulation is six-fold higher in human islets. Human islets express LDH, with low-moderate LDHA expression and β cell-specific LDHB expression. LDHB inhibition increases glucose-dependent lactate generation in mouse and human β cells, and decreases Ca 2+ -spiking frequency without affecting ATP/ADP levels. Thus, we show that LDHB limits glucose-stimulated lactate generation in β cells. Further studies are warranted to understand how lactate impacts β cell metabolism and/or function. HIGHLIGHTS Human and rodent islets generate lactate following glucose stimulation. β cells specifically express LDHB, which acts to limit lactate generation. LDHB inhibition influences Ca 2+ spiking frequency without affecting ATP/ADP ratio. eTOC Cuozzo et al show that glucose-stimulated rodent and human islets generate lactate. Transcriptomic and imaging analyses reveal that LDHB is specifically expressed in β cells and unexpectedly restrains lactate production. LDHB expression and thus regulated lactate generation might reflect a key mechanism underlying β cell metabolism, function and survival.

Abstract Glucagon, a hormone released from pancreatic α-cells, is critical for maintaining euglycemia and plays a key role in the pathophysiology of diabetes. To stimulate the development of new classes of therapeutic agents targeting glucagon release, key α-cell signaling pathways that regulate glucagon secretion need to be identified. Here, we focused on the potential importance of α-cell G s signaling on modulating α-cell function. Studies with α-cell-specific mouse models showed that activation of α-cell G s signaling causes a marked increase in glucagon secretion. We also found that intra-islet adenosine plays an unexpected autocrine/paracrine role in promoting glucagon release via activation of α−cell G s -coupled A 2A adenosine receptors. Studies with α-cell-specific Gα s knockout mice showed that α-cell G s also plays an essential role in stimulating the activity of the Gcg gene, thus ensuring proper islet glucagon content. Our data suggest that α-cell enriched G s -coupled receptors represent potential targets for modulating α-cell function for therapeutic purposes.

Ca 2+ -driven oscillations in insulin secretion are crucial for glycemic control. Prior studies, performed with single-plane imaging, suggest that subpopulations of electrically coupled β-cells have privileged roles in leading and coordinating the propagation of Ca 2+ waves. Here, we used 3D light-sheet imaging to analyze the location and Ca 2+ activity of single β-cells within the entire islet at >2 Hz. Network analysis indicates that the most highly synchronized β-cells are located at the islet center and remain geographically stable between oscillations. In contrast, β-cells that initiate the Ca 2+ wave ('leaders') are located at the islet periphery and change their identity over time via rotations in the wave axis. Activators of glucokinase and pyruvate kinase were used to further test the influence of glycolysis on these β-cell subpopulations. Glucokinase activation, which increased oscillation period, reinforced leader cells and stabilized the wave axis. Pyruvate kinase activation, despite increasing oscillation frequency, had no effect on leader cells, indicating the wave origin is patterned by fuel input. The 3D islet β-cell network, which did not respond to either treatment, is insensitive to changes in fuel metabolism. These findings emphasize the stochastic nature of Ca 2+ oscillations and identify a role for glucokinase in spatially patterning 'leader' β-cells.

SUMMARY Pyruvate kinase (PK) and the phosphoenolpyruvate (PEP) cycle play key roles in nutrient-stimulated K ATP channel closure and insulin secretion. To identify the PK isoforms involved, we generated mice lacking β-cell PKm1, PKm2, and mitochondrial PEP carboxykinase (PCK2) that generates mitochondrial PEP. Glucose metabolism generates both glycolytic and mitochondrially-derived PEP, which triggers K ATP closure through local PKm1 and PKm2 signaling at the plasma membrane. Amino acids, which generate mitochondrial PEP without producing glycolytic fructose 1,6-bisphosphate to allosterically activate PKm2, signal through PKm1 to raise ATP/ADP, close K ATP channels, and stimulate insulin secretion. Raising cytosolic ATP/ADP with amino acids is insufficient to close K ATP channels in the absence of PK activity or PCK2, indicating that K ATP channels are regulated by mitochondrially-derived PEP that provides ATP via plasma membrane-associated PK, but not via mitochondrially-derived ATP. Following membrane depolarization, the PEP cycle is also involved in an “off-switch” that facilitates K ATP channel reopening and Ca 2+ extrusion, as shown by PK activation experiments and β-cell PCK2 deletion that prolonged Ca 2+ oscillations and increased insulin secretion. In conclusion, the differential response of PKm1 and PKm2 to the glycolytic and mitochondrial sources of PEP influences the β-cell nutrient response, and controls the oscillatory cycle regulating insulin secretion.

ABSTRACT Insufficient insulin secretion to meet metabolic demand results in diabetes. The intracellular flux of Ca 2+ into β-cells triggers insulin release. Since genetics strongly influences variation in islet secretory responses, we surveyed islet Ca 2+ dynamics in eight genetically diverse mouse strains. We found high strain variation in response to four conditions: 1) 8 mM glucose; 2) 8 mM glucose plus amino acids; 3) 8 mM glucose, amino acids, plus 10 nM GIP; and 4) 2 mM glucose. These stimuli interrogate β-cell function, α-cell to β-cell signaling, and incretin responses. We then correlated components of the Ca 2+ waveforms to islet protein abundances in the same strains used for the Ca 2+ measurements. To focus on proteins relevant to human islet function, we identified human orthologues of correlated mouse proteins that are proximal to glycemic-associated SNPs in human GWAS. Several orthologues have previously been shown to regulate insulin secretion (e.g. ABCC8, PCSK1, and GCK), supporting our mouse-to-human integration as a discovery platform. By integrating these data, we nominated novel regulators of islet Ca 2+ oscillations and insulin secretion with potential relevance for human islet function. We also provide a resource for identifying appropriate mouse strains in which to study these regulators.

ABSTRACT Of the β-cell signaling pathways altered by non-diabetic obesity and insulin resistance, some are adaptive while others actively contribute to β-cell failure and demise. Cytoplasmic calcium (Ca 2+ ) and cyclic AMP (cAMP), which control the timing and amplitude of insulin secretion, are two important signaling intermediates that can be controlled by stimulatory and inhibitory G protein-coupled receptors. Previous work has shown the importance of the cAMP-inhibitory EP3 receptor in the beta-cell dysfunction of type 2 diabetes. To examine alterations in β-cell cAMP during diabetes progression we utilized a β-cell specific cAMP biosensor in tandem with islet Ca 2+ recordings and insulin secretion assays. Three groups of C57BL/6J mice were used as a model of the progression from metabolic health to type 2 diabetes: wildtype, normoglycemic Leptin Ob , and hyperglycemic Leptin Ob . Here, we report robust increases in β-cell cAMP and insulin secretion responses in normoglycemic Leptin ob mice as compared to wild-type: an effect that was lost in islets from hyperglycemic Leptin ob mice, despite elevated Ca 2+ duty cycle. Yet, the correlation of EP3 expression and activity to reduce cAMP levels and Ca 2+ duty cycle with reduced insulin secretion only held true in hyperglycemic Leptin Ob mice. Our results suggest alterations in beta-cell EP3 signaling may be both adaptive and maladaptive and define β-cell EP3 signaling as much more nuanced than previously understood.

The mitochondrial GTP (mtGTP)-dependent phosphoenolpyruvate (PEP) cycle is an anaplerotic-cataplerotic mitochondrial shuttle utilizing mitochondrial PEPCK (PCK2) and pyruvate kinase (PK). PEP cycling stimulates insulin secretion via OxPhos-independent lowering of ADP by PK. We assess in vivo whether islet PCK2 is necessary for glucose sensing and if speeding the PEP cycle via pharmacological PK activators amplifies insulin secretion. Pck2-/- mice had severely impaired insulin secretion during islet perifusion, oral glucose tolerance tests and hyperglycemic clamps. Acute and chronic pharmacologic PK activator therapy improved islet insulin secretion from normal, high-fat diet (HFD) fed, or Zucker diabetic fatty (ZDF) rats, and glucolipotoxic or diabetic humans. A similar improvement in insulin secretion was observed in regular chow and HFD rats in vivo. Insulin secretion and cytosolic Ca2+ during PK activation were dependent on PCK2. These data provide a preclinical rationale for strategies, such as PK activation, that target the PEP cycle to improve glucose homeostasis.