ABSTRACT The dynamin-like GTPases Mitofusin 1 and 2 (Mfn1 and Mfn2) are essential for mitochondrial function, which has been principally attributed to their regulation of fission/fusion dynamics. Here, we report that Mfn1 and 2 are critical for glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) primarily through control of mitochondrial DNA (mtDNA) content. Whereas Mfn1 and Mfn2 individually were dispensable for glucose homeostasis, combined Mfn1/2 deletion in β-cells reduced mtDNA content, impaired mitochondrial morphology and networking, and decreased respiratory function, ultimately resulting in severe glucose intolerance. Importantly, gene dosage studies unexpectedly revealed that Mfn1/2 control of glucose homeostasis was dependent on maintenance of mtDNA content, rather than mitochondrial structure. Mfn1/2 maintain mtDNA content by regulating the expression of the crucial mitochondrial transcription factor Tfam, as Tfam overexpression ameliorated the reduction in mtDNA content and GSIS in Mfn1/2-deficient β-cells. Thus, the primary physiologic role of Mfn1 and 2 in β-cells is coupled to the preservation of mtDNA content rather than mitochondrial architecture, and Mfn1 and 2 may be promising targets to overcome mitochondrial dysfunction and restore glucose control in diabetes.

ABSTRACT Mitochondrial damage is a hallmark of metabolic diseases, including diabetes and metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease, yet the consequences of impaired mitochondria in metabolic tissues are often unclear. Here, we report that dysfunctional mitochondrial quality control engages a retrograde (mitonuclear) signaling program that impairs cellular identity and maturity across multiple metabolic tissues. Surprisingly, we demonstrate that defects in the mitochondrial quality control machinery, which we observe in pancreatic β cells of humans with type 2 diabetes, cause reductions of β cell mass due to dedifferentiation, rather than apoptosis. Utilizing transcriptomic profiling, lineage tracing, and assessments of chromatin accessibility, we find that targeted deficiency anywhere in the mitochondrial quality control pathway ( e.g. , genome integrity, dynamics, or turnover) activate the mitochondrial integrated stress response and promote cellular immaturity in β cells, hepatocytes, and brown adipocytes. Intriguingly, pharmacologic blockade of mitochondrial retrograde signaling in vivo restores β cell mass and identity to ameliorate hyperglycemia following mitochondrial damage. Thus, we observe that a shared mitochondrial retrograde response controls cellular identity across metabolic tissues and may be a promising target to treat or prevent metabolic disorders.

Abstract A central goal of physiological research is the understanding of cell-specific roles of disease-associated genes. Cre-mediated recombineering is the tool of choice for cell type-specific analysis of gene function in pre-clinical models. In the type 1 diabetes research field, multiple lines of NOD mice have been engineered to express Cre recombinase in pancreatic β-cells using insulin promoter fragments, but tissue promiscuity remains a concern. Constitutive Ins1 tm1.1(cre)Thor ( Ins1 Cre ) mice on the C57/bl6-J background has high β-cell specificity and with no reported off-target effects. We explored if NOD: Ins1 Cre mice could be used to investigate β-cell gene deletion in type 1 diabetes disease modeling. We studied wildtype ( Ins1 WT/WT ), Ins1 heterozygous ( Ins1 Cre/WT or Ins1 Neo/WT ), and Ins1 null ( Ins1 Cre/Neo ) littermates on a NOD background. Female Ins1 Neo/WT mice exhibited significant protection from diabetes, with further near-complete protection in Ins1 Cre/WT mice. The effects of combined neomycin and Cre knock-in in Ins1 Neo/Cre mice were not additive to the Cre knock-in alone. In Ins1 Neo/Cre mice, protection from diabetes was associated with reduced insulitis at 12 weeks of age. Collectively, these data confirm previous reports that loss of Ins1 alleles protects NOD mice from diabetes development and demonstrates, for the first time, that Cre itself may have additional protective effects. This has significant implications for the experimental design and interpretation of pre-clinical type 1 diabetes studies using β-cell-specific Cre in NOD mice.

Pluripotent stem cell (SC)-derived islets offer hope as a renewable source for β cell replacement for type 1 diabetes (T1D), yet functional and metabolic immaturity may limit their long-term therapeutic potential. Here, we show that limitations in mitochondrial transcriptional programming impede the formation and maturation of SC-derived β (SC-β) cells. Utilizing transcriptomic profiling, assessments of chromatin accessibility, mitochondrial phenotyping, and lipidomics analyses, we observed that SC-β cells exhibit reduced oxidative and mitochondrial fatty acid metabolism compared to primary human islets that are related to limitations in key mitochondrial transcriptional networks. Surprisingly, we found that reductions in glucose- stimulated mitochondrial respiration in SC-islets were not associated with alterations in mitochondrial mass, structure, or genome integrity. In contrast, SC-islets show limited expression of targets of PPARIZ and PPARγ, which regulate mitochondrial programming, yet whose functions in β cell differentiation are unknown. Importantly, treatment with WY14643, a potent PPARIZ agonist, induced expression of mitochondrial targets, improved insulin secretion, and increased the formation and maturation of SC-β cells both