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Chromatin landscapes, transcription factor networks and control of gene expression in pancreatic ß-cells exposed to metabolic stress

English title Chromatin landscapes, transcription factor networks and control of gene expression in pancreatic ß-cells exposed to metabolic stress
Applicant Stoffel Markus
Number 184710
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Molekulare Gesundheitswissenschaften Departement Biologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Pathophysiology
Start/End 01.09.2019 - 31.08.2023
Approved amount 1'128'960.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Pathophysiology
Endocrinology

Keywords (5)

pancreatic beta cells; type 2 diabetes; insulin secretion; metabolic stress; transcriptional control

Lay Summary (German)

Lead
Diabetes mellitus ist eine Stoffwechselstörung, die durch den fortschreitenden Verlust oder einer Funktionsstörung von Insulin-produzierenden pankreatischen Betazellen gekennzeichnet ist, was langfristig zu zahlreichen Organschäden führt. Bei Typ-2-Diabetes induzieren metabolische Stressoren (hohe Glukose, Lipide, Entzündungsproteine) eine Funktionsstörung der Betazellen. Die zugrundeliegenden molekularen Ereignisse, die die Insulinsynthese und Sekretion beeinträchtigen sind molekular nur unvollständig verstanden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die dynamischen Veränderungen von Chromatin und Genexpression in Betazellen, die metabolischen Stressoren ausgesetzt sind, zu untersuchen. Ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist wichtig für zukünftige Bemühungen, den Verfall von Betazellen bei metabolischen Stresszuständen zu verhindern und die Zellfunktion bei diabetischen Patienten wiederherzustellen.
Lay summary

Eine gestörte Funktion von pankreatischen Betazellen spielt eine zentrale Rolle bei der Krankheitsentstehung der Zuckerkrankheit. Untersuchungen haben gezeigt, dass metabolische Stressfaktoren die Funktion und das Überleben von Betazellen beeinflussen können. Zahlreiche Wirkmechanismen, die zu stress-induzierter Betazellfehlfunktion führen sind bekannt – sowohl die zeitlichen Abläufe dieser Vorgänge also auch die genauen molekularen Wirkweisen sind jedoch unvollständig verstanden. Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist es, die dynamisch genomweiten Chromatinmuster in Betazellen zu charakterisieren, um zu verstehen, wie Chromatinveränderungen die Transkriptionsaktivität bei akuter und chronischer metabolischer Belastung beeinflussen. In einem ersten Teilprojekt planen wir die Chromatinzugänglichkeit in isolierten Betazellen von jungen und alten Mäusen, die akut und chronischem metabolischem Stress ausgesetzt waren, zu untersuchen und ihre Bedeutung für die Genaktivität zu eruieren. Auch werden wir die Reversibilität der Chromatinänderungen nach ausbleiben des Stresszustandes analysieren. Wir planen spezifische Stoffwechselwege zu manipulieren, um herauszufinden, ob sie die Chromatin-Offenheit und die Transkriptionsaktivität an bestimmten genomischen Orten beeinflussen. Im Teilprojekt 2 werden wir die Funktion von spezifischen Transkriptionsfaktoren und der nicht kodierenden RNA 'Neat1' untersuchen, deren Chromatinzugänglichkeit und Expression während bestimmter Stressreaktionen stark reguliert wird. Im 3. Teilprojekt planen wir die Funktion des humanen Diabetesgen JAZF1 als Reaktion auf chronischen ER und oxidativen Stress zu charakterisieren. Diese Analyse beinhaltet die Identifizierung der Signalkaskaden von Jazf1-aktivierenden Faktoren sowie die Untersuchung der Wirkungsweise von Jazf1-Zielgenen unter physiologischen und diabetischen Bedingungen.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 03.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Pancreatic ß-cell dysfunction plays a pivotal role in the complex pathogenesis of diabetes. Many factors (e.g. hyperglycemia/glucotoxicity, lipotoxicity, inflammation, incretins and insulin resistance) have been shown to profoundly influence the function and survival of pancreatic ß-cells. Whereas acute exposure to metabolic stress leads to increased ß-cell function, chronic exposure has been shown to result in detrimental effects on insulin synthesis/secretion, differentiation, cell survival and proliferation. Multiple mechanisms explaining these defects have been described, however the sequence of molecular events as well as the underlying mechanisms leading to ß-cell dysfunction are still poorly understood. We have recently established genetic mouse lines allowing us to isolate functional subpopulations of primary ß-cells (refractory, hypersecretory, proliferating) at different stages following induction of metabolic stress. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and ATAC-seq, we have performed a first, high-resolution analysis of mouse transcriptome and accessible chromatin, respectively, in ß-cells exposed to insulin resistance-induced metabolic stress. These experiments are beginning to further our understanding of the dynamic changes in chromatin accessibility and heterogeneous transcriptional regulation of ß-cells that are exposed to deranged metabolic conditions. The overall goal of this grant is to characterize the dynamic genome-wide chromatin patterns in pancreatic ß-cells, understand how these alterations are established and how they influence transcriptional activity with high precision during acute and chronic metabolic stress. In a first project, we plan to characterize chromatin accessibility and transcriptional activity in isolated primary ß-cells of young and old mice that were exposed to acute and chronic metabolic stress in vivo. We will also analyze the reversibility of the chromatin changes upon withdrawal of the stress condition. Importantly, we will perturb upstream metabolic pathways that likely induce chromatin remodeling and analyze their contribution of inducing chromatin openness and transcriptional activity at specific loci. In aim 2 we will functionally characterize the role of (sets of) genes (transcription factors (TF), and the long non-coding RNA Neat1) whose chromatin accessibility and/or expression was found to be profoundly regulated at specific times during the stress response. Lastly, in aim 3 we will investigate the human diabetes susceptibility gene JAZF1 in endoplasmatic reticulum (ER) and ribosomal stress during glucose-stimulated insulin secretion and in response to chronic ER and oxidative stress. This analysis includes the identification of the signaling cascades and Jazf1-activating factors responsible for nuclear shuttling and characterization of Jazf1 target gene repression in different physiological and diabetic conditions. Together, the expected results of the proposed research will shed light on i.) the dynamic patterns of chromatin remodeling and transcriptional activity in response to physiological and pathological stimuli, ii.) novel mechanism that are responsible for mediating stress responses impacting on ß-cell function and proliferation, and iii) the transcriptional repressor Jazf1 as a mediator of a negative feedback loop suppressing pathologic hyperactivity in metabolic stress conditions such as hyperglycemia and insulin resistance. These studies therefore address a timely and medically important topic that will further our understanding of the molecular events that contribute to the activation of stress response pathways in pancreatic ß-cells in insulin resistance/diabetes as well as the counter-regulatory processes aiming to restore homeostasis.
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