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.

Flexible pressure sensors with a broad range and high sensitivity are greatly desired yet challenging to build. Herein, we have successfully fabricated a pressure–temperature dual sensor via an ionic assisted charge enhancement strategy. Benefiting from the immobilization effect for [EMIM+] [TFSI–] ion pairs and charge transfer between ionic liquid (IL) and HFMO (H10Fe3Mo21O51), the formed IL-HFMO-TPU pressure sensor shows a high sensitivity of 25.35 kPa–1 and broad sensing range (∼10 MPa), respectively. Furthermore, the sensor device exhibits high durability and stability (5000 cycles@1 MPa). The IL-HFMO-TPU sensor also shows the merit of good temperature sensing properties. Attributed to these superior properties, the proposed sensor device could detect pressure in an ultrawide sensing range (from Pa to MPa), including breathe and biophysical signal monitoring etc. The proposed ionic assisted enhancement approach is a generic strategy for constructing high performance flexible pressure–temperature dual sensor.

Abstract Heterogeneity of glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) in pancreatic islets is physiologically important but poorly understood. Here, we utilize whole mouse islets to determine how microtubules affect secretion toward the vascular extracellular matrix. Our data indicate that microtubule stability in the β-cell population is heterogenous, and that cells with more stable microtubules secrete less in response to a stimulus. Consistently, microtubule hyper-stabilization prevents, and microtubule depolymerization promotes β-cell activation. Analysis of spatiotemporal patterns of secretion events shows that microtubule depolymerization activates otherwise dormant β-cells via initiation of secretion clusters (hot spots). Microtubule depolymerization also enhances secretion from individual cells, introducing both additional clusters and scattered events. Interestingly, without microtubules, the timing of clustered secretion is dysregulated, extending the first phase of GSIS. Our findings uncover a novel microtubule function in tuning insulin secretion hot spots, which leads to accurately measured and timed response to glucose stimuli and promotes functional β-cell heterogeneity.

Two key prerequisites for glucose stimulated insulin secretion (GSIS) in Beta cells are the proximity of insulin granules to the plasma membrane and their anchoring or docking to the plasma membrane (PM). While recent evidence has indicated that both of these factors are altered in the context of diabetes, it is unclear what regulates localization of insulin and its interactions with the PM within single cells. Here we demonstrate that microtubule (MT) motor mediated transport dynamics have a critical role in regulating both factors. Super-resolution imaging shows that while the MT cytoskeleton resembles a random meshwork in the cells' interior, MTs near the cells surface are preferentially aligned with the PM. Computational modeling demonstrates two consequences of this alignment. First, this structured MT network preferentially withdraws granules from the PM. Second, the binding and transport of insulin granules by MT motors prevents their stable anchoring to the PM. The MT cytoskeleton thus negatively regulates GSIS by both limiting the amount of insulin proximal to the PM and preventing/breaking interactions between the PM and the remaining nearby insulin. These results predict that altering MT structure in beta cells can be used to tune GSIS. Thus, our study points to a potential of an alternative therapeutic strategy for diabetes by targeting specific MT regulators.

Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) has become a powerful tool for the systematic investigation of cellular diversity. As a number of computational tools have been developed to identify and visualize cell populations within a single scRNA-seq dataset, there is a need for methods to quantitatively and statistically define proportional shifts in cell population structures across datasets, such expansion or shrinkage, or emergence or disappearance of cell populations. Here we present sc-UniFrac, a framework to statistically quantify compositional diversity in cell populations between single-cell transcriptome landscapes. sc-UniFrac enables sensitive and robust quantification in simulated and experimental datasets in terms of both population identity and quantity. We have demonstrated the utility of sc-UniFrac in multiple applications, including assessment of biological and technical replicates, classification of tissue phenotypes, identification and definition of altered cell populations, and benchmarking batch correction tools. sc-UniFrac provides a framework for quantifying diversity or alterations in cell populations across conditions, and has broad utility for gaining insight on how cell populations respond to perturbations.

Although stress response maintains cell function and survival under adverse conditions, over-activation of late-stage stress-gene effectors causes dysfunction and death. Here we show that the Myelin Transcription Factors (Myt 1, 2, and 3 TFs) prevent this over-activation. Co-inactivating Myt TFs in mouse pancreatic progenitors compromised postnatal β-cell function, proliferation, and survival, preceded by upregulation of late-stage stress-response genes Activating Transcription Factors (e.g., Atf4) and Heat Shock Proteins (Hsps). Myt1 binds the putative enhancers of Atf4 and Hsps, whose over-expression in mouse β cells largely recapitulated the Myt mutant phenotypes. Moreover, Myt(MYT)-TF levels were upregulated in functional mouse and human β cells by metabolic stress but downregulated in those of type 2 diabetic islets that display ATF4 and HSP over-activation. Lastly, human MYT knockdown caused stress-gene over-activation and death in Endo-βH1 cells. These findings suggest that the Myt TFs restrict stress-response to physiologically tolerable levels in mice and human.

ABSTRACT The melastatin subfamily of the transient receptor potential channels (TRPM) are regulators of pancreatic β-cell function. TRPM7 is the most abundant islet TRPM channel; however, the role of TRPM7 in β-cell function has not been determined. Here, we utilized various spatiotemporal transgenic mouse models to investigate how TRPM7 knockout influences pancreatic endocrine development, proliferation, and function. Ablation of TRPM7 within pancreatic progenitors reduced pancreatic size, as well as α-cell and β-cell mass. This resulted in impaired glucose tolerance due to decreased serum insulin levels. However, ablation of TRPM7 following endocrine specification or in adult mice did not impact endocrine expansion or glucose tolerance. As TRPM7 regulates cell proliferation, we assessed how TRPM7 influences β-cell hyperplasia under insulin resistant conditions. β-cell proliferation induced by high-fat diet was significantly decreased in TRPM7 deficient β-cells. The endocrine roles of TRPM7 may be influenced by cation flux through the channel, and indeed we find that TRPM7 ablation alters β-cell intracellular Mg 2+ . Together, these findings reveal that TRPM7 controls pancreatic progenitor expansion and β-cell proliferation, which is likely due to regulation of Mg 2+ homeostasis. Summary This manuscript identifies a critical developmental role for TRPM7 channels in pancreatic progenitor cells. The manuscript also determines that TRPM7 plays a key role in β-cell proliferation under insulin-resistant conditions.

Abstract The medial ganglionic eminence (MGE) is a progenitor domain in the subpallium that produces both locally-projecting interneurons which undergo tangential migration in structures such as the cortex as well as long-range projection neurons that occupy subcortical nuclei. Very little is known about the transcriptional mechanisms specifying the migratory behavior and axonal projection patterns of these two broad classes of MGE-derived neurons. In this study, we identify St18 as a novel transcriptional determinant specifying projection neuron fate in the MGE lineage. St18 is transiently expressed in the MGE subventricular zone (SVZ) and mantle, and we assessed its function using an ES cell-based model of MGE development. Induction of St18 is sufficient to direct ES-derived MGE neurons to adopt a projection neuron-like identity as defined by migration and morphology. Using genetic loss-of-function in mice, we find that St18 is required for the production of globus pallidus pars externa (GPe) prototypic projection neurons. Single cell RNA sequencing revealed that St18 regulates MGE output of specific neuronal populations: in the absence of St18, we observe a large expansion of cortical interneurons at the expense of putative GPe neurons. Through gene expression analysis we identified a downstream effector of St18, Cbx7, which is a component of Polycomb repressor complex 1. We find that Cbx7 is essential for projection neuron-like migration and is not involved in St18-mediated projection neuron-like morphology. Our results characterize a novel transcriptional determinant that directs GPe prototypic projection neuron identity. Further, we identified a downstream target of St18, Cbx7, which regulates only the migratory behavior of long-range projection neurons, suggesting that specific features of MGE projection neuron identity may be governed in a compartmentalized fashion by distinct transcriptional modules downstream of St18.