Abstract Increased circulating levels of incompletely processed insulin (i.e. proinsulin) are observed clinically in both type 1 and type 2 diabetes; however, the mechanisms underlying impaired proinsulin processing remain incompletely understood. Here, we identify the sarcoendoplasmic reticulum Ca 2+ ATPase-2 (SERCA2) pump and β cell ER Ca 2+ as key regulators of systemic glucose tolerance and proinsulin processing. We generated mice with a β cell-specific SERCA2 deletion (βS2KO) and SERCA2 deficient INS-1 cells to show that SERCA2 loss increases systemic and pancreatic levels of proinsulin protein and leads to aberrant localization of proinsulin within the proximal β cell secretory pathway. These defects in proinsulin processing were linked to reduced maturation of the proinsulin processing enzymes PC1/3 and PC2, suggesting a model whereby chronic ER Ca 2+ depletion in the β cell, which is observed in many pathological conditions, impairs the spatial regulation of prohormone trafficking, processing, and maturation within the β cell secretory pathway.

Ventral tegmental area (VTA) glutamate neurons are important components of brain reward circuitry, but whether they are subject to cholinergic modulation is unknown. To study this, we used an array of molecular, physiological, and photostimulation techniques to examine nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) in VTA glutamate neurons. VTA neurons positive for the vesicular glutamate transporter 2 (VGLUT2+) are responsive to acetylcholine (ACh) released from mesopontine cholinergic axons. VTA VGLUT2+ neurons express mRNA and protein subunits known to comprise typical heteromeric nAChRs. Electrophysiology, coupled with 2-photon microscopy and laser flash photolysis of a photoactivatable nicotine probe, was used to demonstrate nAChR functional activity in the somatodendritic subcellular compartment of VTA VGLUT2+ neurons. Finally, optogenetic isolation of intrinsic VTA glutamatergic microcircuits demonstrated that nicotine potently modulates excitatory transmission within the VTA. These results indicate that VTA glutamate neurons are modulated by cholinergic mechanisms and participate in the cascade of physiological responses to nicotine exposure.

Photoactivatable ('caged') pharmacological agents have revolutionized neuroscience but the palette of available ligands is limited. We describe a general method for caging tertiary amines using an unconventional quaternary ammonium linkage that is chemically stable and elicits a desirable red-shift in activation wavelength. A photoactivatable nicotine (PA-Nic) prepared using this strategy could be uncaged via 1- or 2-photon excitation, making it useful for optopharmacology experiments to study nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) in different experimental preparations and spatiotemporal scales.