Identifying the molecular mechanisms leading to age-related chronic disease onset using an innovative in vivo setup

Diabetes er eit omgrep som beskriver ei gruppe med metabolske lidingar definert med kronisk auka blodsukker nivå (hyperglykemi). Hyperglykemi kjem av at kroppen manglar evna til produsera og/eller respondera på insulin, eit hormon produsert av beta-celler lokalisert i øyer i pankreas. Dei to vanlegaste formane for diabetes er komplekse lidingar noko som gjere dei utfordrande å studera. Dette prosjektet vil svara på desse utfordringane ved å studera skjebnen til dei insulinproduserande beta-cellene i ei gruppe av monogene lidingar kalla MODY (Maturity Onset Diabetes of the Young). Kort sagt vil me fyrst jobbe in vitro ved å differensiera induserte-pluripotente stam celler mot pankreas endokrine øy-celler. Cellene vil kome enten frå friske personar eller pasientar med MODY1 (HNF4A mutasjon) og MODY3 (HNF1A mutasjon). Dissosierte pankreas forgjengar-celler eller umodne øy-celler vart innkapselert i alginat og vidare xenotransplantert i enten normalglykemisk eller mus med humanisert genetisk-indusert diabetes. Ved ulike tidspunkt etter transplantering vart dei innkapselerte cellene ekstrahert og analysert ved storskala mikroskopi, next-generation sekvensering og proteomikk. Ved å bruke denne framgangsmåten, har me etablert at: (1) Innkapselering promoterer potensiale til øy-celle for å differensiera (Legøy*, Vethe* et al. [Chera], Sci Reports, 2020), (2) hyperglykemi påverkar restriksjonane for celle-identitet, skaper enten blanda celle identitet eller død avhengig av eksponeringstid (Legøy et al. [Chera], Acta Physiol, 2019), (3) transplantering av cellene i eit in vivo miljø forbetrar celle identiteten og denne effekten er avhengig av inndusering av HNF1A og HNF4A faktorar. Både HNF4A og HNF1A mutasjonar påverkar restriksjon og vedlikehald av valet av hormon utrykking. (Legøy et al., [Chera], Frontiers in Cell and Developmental Biology). Basert på desse studiane, fremmer me ein modell der rett etter transplantering i eit in vivo miljø blir øy-celle profilen promotert i differensierande pankreas- forgjengar-celler ved å forbetre deira hormon utrykkings fenotype. Dette kjem antakeleg av betra energimetabolisme påverka av aktiviteten til spesifikke epigenentiske modifikatorar, slik som MECP2. Den underliggande mekanisme er i alle fall delvis avhengig av optimale nivå av HNF1A og HNF4A. Dette er indikert sidan redusert utrykking av desse transkripsjonsfaktorane (som observert i MODY1 og MODY3 pasientar) ikkje berre hindrar den observerte avgrensinga mot utrykking av enkelt hormon, men også skapar ein akkumulering av umodne bihormonale celler. Ein anna viktig konklusjon frå desse studiane er at effekten av HNF faktor mutasjonar som karakteriserer MODY1 og MODY3 celler berre blir avslørt etter eksponering til eit in vivo miljø og påverkar rekruttering av pankreas forgjengar-celler i tillegg til celle identitetsrestriksjonar (t.d. val av celleskjebne).

6 different datasets obtained in this study are publicly available to be accessed and reused by the scientific community. The datasets are uploaded to ProteomeXchange Consortium via the PRIDE partner repository (http://www.proteomexchange.org) with the dataset identifier PXD012081; PXD012704; PXD015071; PXD015955; or to NCBI Gene Expression Omnibus accessible through GEO Series accession number GSE141891 and GSE141309.

Diabetes is characterized by hyperglycaemia resulted from the impaired ability of the body to produce or respond to insulin. This group of energy metabolism diseases is showing an alarming increase in the incidence rate, the worldwide prevalence being estimated to rise from 2.8% in 2000 to 4.4% in 2030. The two prevailing forms of diabetes are exceedingly difficult to study due to their complex aetiology caused by an intricate genetic/environmental interaction (polygenic and multifactorial). Consequently, their exact causational factors and underlying mechanisms have not yet been defined. Here we propose a novel in vivo approach involving transplanted induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from monogenic diabetes (MODY) types identified in the unique patient collection available at the Norwegian MODY Registry. Upon transplantation into humanized diabetic mice, we will use the outcome of their age-related gradual decay in functionality as a direct in vivo readout signalizing the disorder onset. We will use this setup to address the following questions: What are the cellular processes and conserved molecular pathways characterizing the gradual failure of the iPSC-derived beta-like from MODY patients? Is there a general, potentially age-related mechanism contributing to MODY-iPSC-derived beta-like cell decay? By replying to these questions we will characterize the first dynamic cellular and molecular timeline of beta-cell failure in diabetic disorders, while also defining a general, potentially age-related, onset mechanism. Special emphasis will be given for generation of a short list of novel therapeutic targets for subsequent in vivo testing, which will allow a much more efficient clinical intervention with a greater gain in terms of functionality and healthspan.