ABSTRACT G i/o protein-coupled receptors (G i/o -GPCRs) limit pancreatic islet insulin secretion by decreasing β-cell Ca 2+ entry, which is essential for maintenance of glucose homeostasis. However, the G i/o -GPCR signaling mechanism that mediates inhibition of human islet hormone secretion has not been identified. Here we demonstrate that G i/o -GPCRs cause hyperpolarization of the β-cell membrane potential through activation of Na + /K + ATPases (NKAs) in mouse and human islets. Stimulation of G i/o -coupled somatostatin or α2-adrenergic receptors induced oscillations in β-cell NKA activity, which resulted in islet Ca 2+ fluctuations. Selective induction of β-cell G i/o signaling with a chemogenetic G i/o -GPCR also activated NKAs and initiated islet Ca 2+ oscillations, suggesting that β-cell G i/o -GPCRs tune pulsatile insulin secretion. Furthermore, intra-islet paracrine activation of β-cell G i/o -GPCR signaling and NKAs by δ-cell somatostatin secretion slowed Ca 2+ oscillations, which decreased insulin secretion. G i/o -GPCR-mediated oscillations in β-cell membrane potential and Ca 2+ were dependent on NKA phosphorylation by Src tyrosine kinases; an effect that was mimicked by stimulating islet insulin receptor tyrosine kinases. Whereas β-cell NKA function was completely inhibited by cAMP-dependent PKA activation. Taken together, these data reveal that NKA-mediated hyperpolarization of β-cell membrane potential serves as the primary and conserved mechanism for G i/o -GPCR control of electrical excitability, Ca 2+ handling, and insulin secretion.

The gain-of-function mutation in the TALK-1 K

Abstract Glucolipotoxicity, caused by combined hyperglycemia and hyperlipidemia, results in β-cell failure and type 2 diabetes (T2D) via cellular stress-related mechanisms. Activating transcription factor 4 (Atf4) is an essential effector of stress response. We show here that Atf4 expression in β-cells is dispensable for glucose homeostasis in young mice, but it is required for β-cell function during aging and under obesity-related metabolic stress. Henceforth, aged Atf4- deficient β-cells display compromised secretory function under acute hyperglycemia. In contrast, they are resistant to acute free fatty acid-induced loss-of identity and dysfunction. At molecular level, Atf4 -deficient β-cells down-regulate genes involved in protein translation, reducing β-cell identity gene products under high glucose. They also upregulate several genes involved in lipid metabolism or signaling, likely contributing to their resistance to free fatty acid-induced dysfunction. These results suggest that Atf4 activation is required for β-cell identity and function under high glucose, but this paradoxically induces β-cell failure in the presence of high levels of free fatty acids. Different branches of Atf4 activity could be manipulated for protecting β-cells from metabolic stress-induced failure. Highlights Atf4 is dispensable in β-cells in young mice Atf4 protects β-cells under high glucose Atf4 exacerbate fatty acid-induced β-cell defects Atf4 activates translation but depresses lipid-metabolism

Background: Maturity-onset diabetes of the young (MODY) is a heterogeneous group of monogenic disorders of impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). Mechanisms include β-cell KATP channel dysfunction (e.g., KCNJ11 (MODY13) or ABCC8 (MODY12) mutations); however, no other β-cell channelopathies have been identified in MODY. Methods: A four-generation family with autosomal dominant non-obese, non-ketotic antibody-negative diabetes, without mutations in known MODY genes, underwent exome sequencing. Whole-cell and single-channel K+ currents, Ca2+ handling, and GSIS were determined in cells expressing either mutated or wild-type (WT) protein. Results: We identified a novel non-synonymous genetic mutation in KCNK16 (NM_001135105: c.341T>C, p.Leu114Pro) segregating with MODY. KCNK16 is the most abundant and β-cell-restricted K+ channel transcript and encodes the two-pore-domain K+ channel TALK-1. Whole-cell K+ currents in transfected HEK293 cells demonstrated drastic (312-fold increase) gain-of-function with TALK-1 Leu144Pro vs. WT, due to greater single channel activity. Glucose-stimulated cytosolic Ca2+ influx was inhibited in mouse islets expressing TALK-1 Leu114Pro (area under the curve [AUC] at 20mM glucose: Leu114Pro 60.1 vs. WT 89.1; P=0.030) and less endoplasmic reticulum calcium storage (cyclopiazonic acid-induced release AUC: Leu114Pro 17.5 vs. WT 46.8; P=0.008). TALK-1 Leu114Pro significantly blunted GSIS compared to TALK-1 WT in both mouse (52% decrease, P=0.039) and human (38% decrease, P=0.019) islets. Conclusions: Our data identify a novel MODY-associated gene, KCNK16 ; with a gain-of-function mutation limiting Ca2+ influx and GSIS. A gain-of-function common polymorphism in KCNK16 is associated with type 2 diabetes (T2DM); thus, our findings have therapeutic implications not only for KCNK16 -associated MODY but also for T2DM.

Abstract Genetic and acquired abnormalities contribute to pancreatic β-cell failure in diabetes. Transcription factors Hnf4α (MODY1) and FoxO1 are respective examples of these two components, and are known to act through β-cell-specific enhancers. However, their relationship is unclear. Here we show by genome-wide interrogation of chromatin modifications that FoxO1 ablation in mature β-cells leads to increased selection of FoxO1 enhancers by Hnf4α. To model the functional significance we generated single and compound knockouts of FoxO1 and Hnf4α in β-cells. Single knockout of either gene impaired insulin secretion in mechanistically distinct fashions. Surprisingly, the defective β-cell secretory function of either single mutant in hyperglycemic clamps and isolated islets treated with various secretagogues, was completely reversed in double mutants. Gene expression analyses revealed the reversal of β-cell dysfunction with an antagonistic network regulating glycolysis, including β-cell “disallowed” genes; and that a synergistic network regulating protocadherins emerged as likely mediators of the functional restoration of insulin secretion. The findings provide evidence of antagonistic epistasis as a model of gene/environment interactions in the pathogenesis of β-cell dysfunction.

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.