Glucokinase (Gck) functions as a glucose sensor for insulin secretion, and in mice fed standard chow, haploinsufficiency of β cell–specific Gck (Gck+/–) causes impaired insulin secretion to glucose, although the animals have a normal β cell mass. When fed a high-fat (HF) diet, wild-type mice showed marked β cell hyperplasia, whereas Gck+/– mice demonstrated decreased β cell replication and insufficient β cell hyperplasia despite showing a similar degree of insulin resistance. DNA chip analysis revealed decreased insulin receptor substrate 2 (Irs2) expression in HF diet–fed Gck+/– mouse islets compared with wild-type islets. Western blot analyses confirmed upregulated Irs2 expression in the islets of HF diet–fed wild-type mice compared with those fed standard chow and reduced expression in HF diet–fed Gck+/– mice compared with those of HF diet–fed wild-type mice. HF diet–fed Irs2+/– mice failed to show a sufficient increase in β cell mass, and overexpression of Irs2 in β cells of HF diet–fed Gck+/– mice partially prevented diabetes by increasing β cell mass. These results suggest that Gck and Irs2 are critical requirements for β cell hyperplasia to occur in response to HF diet–induced insulin resistance.

Hypoxia-inducible factor 1 (HIF1) is a master regulator of adaptive gene expression under hypoxia. However, a role for HIF1 in the epigenetic regulation remains unknown. Genome-wide analysis of HIF1 binding sites (chromatin immunoprecipitation [ChIP] with deep sequencing) of endothelial cells clarified that HIF1 mainly binds to the intergenic regions distal from transcriptional starting sites under both normoxia and hypoxia. Next, we examined the temporal profile of gene expression under hypoxic conditions by using DNA microarrays. We clarified that early hypoxia-responsive genes are functionally associated with glycolysis, including GLUT3 (SLC2A3). Acetylated lysine 27 of histone 3 covered the HIF1 binding sites, and HIF1 functioned as an enhancer of SLC2A3 by interaction with lysine (K)-specific demethylase 3A (KDM3A). Knockdown of HIF1α and KDM3A showed that glycolytic genes are regulated by both HIF1 and KDM3A and respond to hypoxia in a manner independent of cell type specificity. We elucidated that both the chromatin conformational structure and histone modification change under hypoxic conditions and enhance the expression of SLC2A3 based on the combined results of chromatin conformation capture (3C) and ChIP assays. KDM3A is recruited to the SLC2A3 locus in an HIF1-dependent manner and demethylates H3K9me2 so as to upregulate its expression. These findings provide novel insights into the interaction between HIF1 and KDM3A and also the epigenetic regulation of HIF1.

Endothelial cells (ECs) make up the innermost layer throughout the entire vasculature. Their phenotypes and physiological functions are initially regulated by developmental signals and extracellular stimuli. The underlying molecular mechanisms responsible for the diverse phenotypes of ECs from different organs are not well understood. To characterize the transcriptomic and epigenomic landscape in the vascular system, we cataloged gene expression and active histone marks in nine types of human ECs (generating 148 genome-wide datasets) and carried out a comprehensive analysis with chromatin interaction data. We identified 3,765 EC-specific enhancers, some of which were associated with disease-associated genetic variations. We also identified various candidate marker genes for each EC type. Notably, reflecting the developmental origins of ECs and their roles in angiogenesis, vasculogenesis and wound healing. While the importance of several HOX genes for early vascular development and adult angiogenesis in pathological conditions has been reported, a systematic analysis of the regulation and roles of HOX genes in mature tissue cells has been lacking. These datasets provide a valuable resource for understanding the vascular system and associated diseases.

Lysine 9 di-methylation and lysine 27 tri-methylation of histone H3 (H3K9me2 and H3K27me3) are generally linked to gene repression. However, the functions of repressive histone methylation dynamics during inflammatory responses remain enigmatic. We found that tumor necrosis factor (TNF)-α rapidly induces the co-occupancy of lysine demethylases 7A (KDM7A) and 6A (UTX) with nuclear factor kappa-B (NF-κB) recruited elements in human endothelial cells. KDM7A and UTX demethylate H3K9me2 and H3K27me3, respectively, and both are required for activation of NF-κB-dependent inflammatory genes. Chromosome conformation capture-based methods demonstrated increased interactions between TNF-α-induced super enhancers at NF-κB-relevant loci, coinciding with KDM7A- and UTX-recruitment. Simultaneous inhibition of KDM7A and UTX significantly reduced leukocyte adhesion in mice, establishing the biological and potential translational relevance of this mechanism. Collectively, these findings suggest that rapid erasure of repressive histone marks by KDM7A and UTX is essential for NF-κB-dependent regulation of genes that control inflammatory responses of endothelial cells.