Integrated control of appetite and fat metabolism by the leptin-proopiomelanocortin pathway

Leptin deficiency results in a complex obesity phenotype comprising both hyperphagia and lowered metabolism. The hyperphagia results, at least in part, from the absence of induction by leptin of melanocyte stimulating hormone (MSH) secretion in the hypothalamus; the MSH normally then binds to melanocortin-4 receptor expressing neurons and inhibits food intake. The basis for the reduced metabolic rate has been unknown. Here we show that leptin administered to leptin-deficient (ob/ob) mice results in a large increase in peripheral MSH levels; further, peripheral administration of an MSH analogue results in a reversal of their abnormally low metabolic rate, in an acceleration of weight loss during a fast, in partial restoration of thermoregulation in a cold challenge, and in inducing serum free fatty acid levels. These results support an important peripheral role for MSH in the integration of metabolism with appetite in response to perceived fat stores indicated by leptin levels.

Estrogen withdrawal and liver fat accumulation : contribution of hepatic VLDL-TG production and effect of exercise training

L’accumulation de triglycérides (TG) dans les hépatocytes est caractéristique de la stéatose hépatique non-alcoolique (SHNA). Cette dernière se produit dans diverses conditions dont le facteur commun est le métabolisme anormal des lipides. Le processus conduisant à l'accumulation des lipides dans le foie n’a pas encore été totalement élucidé. Toutefois, des lipides s'accumulent dans le foie lorsque les mécanismes qui favorisent leur exportation (oxydation et sécrétion) sont insuffisants par rapport aux mécanismes qui favorisent leur importation ou leur biosynthèse. De nos jours il est admis que la carence en œstrogènes est associée au développement de la stéatose hépatique. Bien que les résultats des études récentes révèlent l'implication des hormones ovariennes dans l'accumulation de lipides dans le foie, les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène doivent encore être étudiés. En conséquence, les trois études présentées dans cette thèse ont été menées sur des rates ovariectomizées (Ovx), comme modèle animal de femmes post-ménopausées, pour étudier les effets du retrait des œstrogènes sur le métabolisme des lipides dans le foie, en considérant l'entraînement physique comme étant un élément positif pouvant contrecarrer ces effets. Il a été démontré que l'entraînement physique peut réduire l'accumulation de graisses dans le foie chez les rates Ovx. Dans la première étude, nous avons montré que chez les rates Ovx nourries à la diète riche en lipides (HF), les contenus de TG hépatiques étaient élevées (P < 0.01) comparativement aux rates Sham, 5 semaines après la chirurgie. Le changement de la diète HF par la diète standard (SD) chez les rates Sham a diminué l’accumulation de lipides dans le foie. Toutefois, chez les rates Ovx, 8 semaines après le changement de la HF par la SD le niveau de TG dans le foie était maintenu aussi élevé que chez les rates nourries continuellement avec la diète HF. Lorsque les TG hépatiques mesurés à la 13e semaine ont été comparés aux valeurs correspondant au retrait initial de la diète HF effectué à la 5e semaine, les niveaux de TG hépatiques chez les animaux Ovx ont été maintenus, indépendamment du changement du régime alimentaire; tandis que chez les rats Sham le passage à la SD a réduit (P < 0.05) les TG dans le foie. Les mêmes comparaisons avec la concentration des TG plasmatiques ont révélé une relation inverse. Ces résultats suggèrent que la résorption des lipides au foie est contrée par l'absence des œstrogènes. Dans cette continuité, nous avons utilisé une approche physiologique dans notre seconde étude pour investiguer la façon dont la carence en œstrogènes entraîne l’accumulation de graisses dans le foie, en nous focalisant sur la voie de l'exportation des lipides du foie. Les résultats de cette étude ont révélé que le retrait des œstrogènes a entraîné une augmentation (P < 0.01) de l’accumulation de lipides dans le foie en concomitance avec la baisse (P < 0.01) de production de VLDL-TG et une réduction l'ARNm et de la teneur en protéines microsomales de transfert des triglycérides (MTP). Tous ces effets ont été corrigés par la supplémentation en œstrogènes chez les rates Ovx. En outre, l'entraînement physique chez les rates Ovx a entraîné une réduction (P < 0.01) de l’accumulation de lipides dans le foie ainsi qu’une diminution (P < 0.01) de production de VLDL-TG accompagnée de celle de l'expression des gènes MTP et DGAT-2 (diacylglycérol acyltransférase-2). Des études récentes suggèrent que le peptide natriurétique auriculaire (ANP) devrait être au centre des intérêts des recherches sur les métabolismes énergétiques et lipidiques. Le ANP est relâché dans le plasma par les cellules cardiaques lorsque stimulée par l’oxytocine et exerce ses fonctions en se liant à son récepteur, le guanylyl cyclase-A (GC-A). En conséquence, dans la troisième étude, nous avons étudié les effets du blocage du système ocytocine-peptide natriurétique auriculaire (OT-ANP) en utilisant un antagoniste de l’ocytocine (OTA), sur l'expression des gènes guanylyl cyclase-A et certains marqueurs de l’inflammation dans le foie de rates Ovx. Nous avons observé une diminution (P < 0.05) de l’ARNm de la GC-A chez les rates Ovx et Sham sédentaires traitées avec l’OTA, tandis qu’une augmentation (P < 0.05) de l'expression de l’ARNm de la protéine C-réactive (CRP) hépatique a été notée chez ces animaux. L’exercice physique n'a apporté aucun changement sur l'expression hépatique de ces gènes que ce soit chez les rates Ovx ou Sham traitées avec l’OTA. En résumé, pour expliquer l’observation selon laquelle l’accumulation et la résorption de lipides dans le foie dépendent des mécanismes associés à des niveaux d’œstrogènes, nos résultats suggèrent que la diminution de production de VLDL-TG induite par une déficience en œstrogènes, pourrait être un des mecanismes responsables de l’accumulation de lipides dans le foie. L’exercice physique quant à lui diminue l'infiltration de lipides dans le foie ainsi que la production de VLDL-TG indépendamment des niveaux d'œstrogènes. En outre, l'expression des récepteurs de l’ANP a diminué par l'OTA chez les rates Ovx et Sham suggérant une action indirecte de l’ocytocine (OT) au niveau du foie indépendamment de la présence ou non des estrogènes. L’axe ocytocine-peptide natriurétique auriculaire, dans des conditions physiologiques normales, protègerait le foie contre l'inflammation à travers la modulation de l’expression de la GC-A.

Investigating mechanisms underpinning the detrimental impact of a high-fat diet in the developing and adult hypermuscular myostatin null mouse

Background: Obese adults are prone to develop metabolic and cardiovascular diseases. Furthermore, over-weight expectant mothers give birth to large babies who also have increased likelihood of developing metabolic and cardiovascular diseases. Fundamental advancements to better understand the pathophysiology of obesity are critical in the development of anti-obesity therapies not only for this but also future generations. Skeletal muscle plays a major role in fat metabolism and much work has focused in promoting this activity in order to control the development of obesity. Research has evaluated myostatin inhibition as a strategy to prevent the development of obesity and concluded in some cases that it offers a protective mechanism against a high-fat diet. Results: We hypothesised that myostatin inhibition should protect not only the mother but also its developing foetus from the detrimental effects of a high-fat diet. Unexpectedly, we found muscle development was attenuated in the foetus of myostatin null mice raised on a high-fat diet. We therefore re-examined the effect of the high-fat diet on adults and found myostatin null mice were more susceptible to diet-induced obesity through a mechanism involving impairment of inter-organ fat utilization. Conclusions: Loss of myostatin alters fatty acid uptake and oxidation in skeletal muscle and liver. We show that abnormally high metabolic activity of fat in myostatin null mice is decreased by a high-fat diet resulting in excessive adipose deposition and lipotoxicity. Collectively, our genetic loss-of-function studies offer an explanation of the lean phenotype displayed by a host of animals lacking myostatin signalling. Keywords: Muscle, Obesity, High-fat diet, Metabolism, Myostatin

Bovine gene polymorphisms related to fat deposition and meat tenderness

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Moderate physical activity from childhood contributes to metabolic health and reduces hepatic fat accumulation in adult rats

Background: Obesity, oxidative stress and inflammation, by triggering insulin resistance, may contribute to the accumulation of hepatic fat, and this accumulation by lipotoxicity can lead the organ to fail. Because obesity is growing at an alarming rate and, worryingly, in a precocious way, the present study aimed to investigate the effects of moderate physical training performed from childhood to adulthood on liver fat metabolism in rats. Methods. Twenty rats that were 28days old were divided into two groups: control (C) and trained (T). The C Group was kept in cages without exercise, and the T group was submitted to swimming exercise for 1hour/day, 5days/week from 28 to 90days of age (8weeks) at 80% of the anaerobic threshold determined by the lactate minimum test. At the end of the experiment, the body weight gain, insulin sensitivity (glucose disappearance rate during the insulin tolerance test), concentrations of free fatty acids (FFA) and triglycerides (TG) and hepatic lipogenic rate were analyzed. For the statistical analysis, the Student t-test was used with the level of significance preset at 5%. Results: The T group showed lower body weight gain, FFA concentrations, fat accumulation, hepatic lipogenic rate and insulin resistance. Conclusion: The regular practice of moderate physical exercise from childhood can contribute to the reduction of obesity and insulin resistance and help prevent the development of accumulation of hepatic fat in adulthood. © 2013de Moura et al; licensee BioMed Central Ltd.

The Association Between Triglyceride and Leptin Levels in Obese Subjects Following a Low-Carbohydrate or Low-Fat Diet

Obesity has been cited as the second leading preventable cause of death in the United States. Studies have determined that at risk overweight and obese individuals have high circulating levels of leptin indicative of leptin resistance as well as elevated levels of plasma triglycerides. Postulates have been formed that link elevated levels of triglycerides with the inhibition of leptin across the blood-brain barrier. If a method of lowering triglycerides is achieved, leptin should be able to cross the blood-brain barrier and reach the ypothalamus, thus regulating body weight through a decrease in appetite and increase in energy expenditure. The primary aim of this study was to compare the effects of both carbohydrate and fat restricted diets on plasma triglycerides and leptin concentrations in overweight and obese subjects with hypertriglyceridemia. Forty subjects were randomly assigned to either the low carbohydrate or low fat diet group for a 12 wk period. Plasma triglyceride and leptin concentrations in the blood were analyzed before and after the 12 wk period to assess diet-induced changes. Both groups had a significant reduction in body weight, though the effect was much greater in the carbohydrate restricted diet group. Fasting and postprandial plasma triglycerides also decreased to a greater extent in the low carbohydrate diet group. Similarly, leptin levels decreased to a greater extent in the carbohydrate restricted diet group. The changes in leptin levels were directly related to the changes in both fasting and postprandial triglyceride levels. The results from this study provide preliminary evidence of diet-induced triglyceride reductions as an underlying mechanism in lowering plasma leptin and improving leptin sensitivity. Further, they provide evidence that an increase in triglyceride levels is at least partially responsible for leptin resistance and reduced leptin sensitivity in obese hypertriglyceridemic individuals. This novel discovery is important as it raises the possibility that other methods of lowering triglycerides may improve the efficiency of leptin transport and ultimately improve fat metabolism in overweight and obese individuals.

Rapid Communication: Cholesterol deficiency-associated APOB mutation impacts lipid metabolism in Holstein calves and breeding bulls.

During the last months, the number of reports on Holstein calves suffering from incurable idiopathic diarrhea dramatically increased. Affected calves showed severe hypocholesterolemia and mostly died within days up to a few months after birth. This new autosomal monogenic recessive inherited fat metabolism disorder, termed cholesterol deficiency (CD), is caused by a loss of function mutation of the bovine gene. The objective of the present study was to investigate specific components of lipid metabolism in 6 homozygous for the mutation (CDS) and 6 normal Holstein calves with different genotypes. Independent of sex, CDS had significantly lower plasma concentrations of total cholesterol (TC), free cholesterol (FC), high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C), low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C), very-low-density lipoprotein cholesterol (VLDL-C), triacylglycerides (TAG), and phospholipids (PL) compared with homozygous wild-type calves ( < 0.05). Furthermore, we studied the effect of the genotype on cholesterol metabolism in adult Holstein breeding bulls of Swissgenetics. Among a total of 254 adult males, the homozygous mutant genotype was absent, 36 bulls were heterozygous carriers (CDC), and 218 bulls were homozygous wild-type (CDF). In CDC bulls, plasma concentrations of TC, FC, HDL-C, LDL-C, VLDL-C, TAG, and PL were lower compared with CDF bulls ( < 0.05). The ratios of FC:cholesteryl esters (CE) and FC:TC were higher in CDC bulls compared with CDF bulls, whereas the ratio of CE:TC was lower in CDC bulls compared with CDF bulls ( < 0.01). In conclusion, the CD-associated mutation was shown to affect lipid metabolism in affected Holstein calves and adult breeding bulls. Besides cholesterol, the concentrations of PL, TAG, and lipoproteins also were distinctly reduced in homozygous and heterozygous carriers of the mutation. Beyond malabsorption of dietary lipids, deleterious effects of apolipoprotein B deficiency on hepatic lipid metabolism, steroid biosynthesis, and cell membrane function can be expected, which may result in unspecific symptoms of reduced fertility, growth, and health.

TNF and TNF receptor expression and insulin sensitivity in human omental and subcutaneous adipose tissue--influence of BMI and adipose distribution

Tumour necrosis factor (TNF)alpha is implicated in the relationship between obesity and insulin resistance/ type 2 diabetes. In an effort to understand this association better we (i) profiled gene expression patterns of TNF, TNFR1 and TNFR2 and (ii) investigated the effects of TNF on glucose uptake in isolated adipocytes and adipose tissue explants from omental and subcutaneous depots from lean, overweight and obese individuals. TNF expression correlated with expression of TNFR2, but not TNFR1, and TNF and TNFR2 expression increased in obesity. TNFR1 expression was higher in omental than in subcutaneous adipocytes. Expression levels of TNF or either receptor did not differ between adipocytes from individuals with central and peripheral obesity. TNF only suppressed glucose uptake in insulin-stimulated subcutaneous tissue and this suppression was only observed in tissue from lean subjects. These data support a relationship between the TNF system and body mass index (BMI), but not fat distribution, and suggest depot specificity of the TNF effect on glucose uptake. Furthermore, adipose tissue from obese subjects already appears insulin 'resistant' and this may be a result of the increased TNF levels.

Mechanisms underlying the metabolic actions of galegine that contribute to weight loss in mice

Background and purpose: Galegine and guanidine, originally isolated from Galega officinalis, led to the development of the biguanides. The weight-reducing effects of galegine have not previously been studied and the present investigation was undertaken to determine its mechanism(s) of action.

Experimental approach: Body weight and food intake were examined in mice. Glucose uptake and acetyl-CoA carboxylase activity were studied in 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes and AMP activated protein kinase (AMPK) activity was examined in cell lines. The gene expression of some enzymes involved in fat metabolism was examined in 3T3-L1 adipocytes.

Key results: Galegine administered in the diet reduced body weight in mice. Pair-feeding indicated that at least part of this effect was independent of reduced food intake. In 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes, galegine (50 µm-3 mm) stimulated glucose uptake. Galegine (1–300 µm) also reduced isoprenaline-mediated lipolysis in 3T3-L1 adipocytes and inhibited acetyl-CoA carboxylase activity in 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes. Galegine (500 µm) down-regulated genes concerned with fatty acid synthesis, including fatty acid synthase and its upstream regulator SREBP. Galegine (10 µm and above) produced a concentration-dependent activation of AMP activated protein kinase (AMPK) in H4IIE rat hepatoma, HEK293 human kidney cells, 3T3-L1 adipocytes and L6 myotubes.

Conclusions and implications: Activation of AMPK can explain many of the effects of galegine, including enhanced glucose uptake and inhibition of acetyl-CoA carboxylase. Inhibition of acetyl-CoA carboxylase both inhibits fatty acid synthesis and stimulates fatty acid oxidation, and this may to contribute to the in vivo effect of galegine on body weight.

Skeletal muscle protein content of lipolytic inhibitor G(0)/G(1) switch gene-2 protein: the effect of endurance training

The first and rate-limiting step of lipolysis is the removal of the first fatty acid from a triglyceride molecule; it is catalyzed by adipose triglyceride lipase (ATGL). ATGL is co-activated by comparative gene identification-58 (CGI-58) and inhibited by the G(0)/G(1) switch gene-2 protein (G0S2). G0S2 has also recently been identified as a positive regulator of oxidative phosphorylation within the mitochondria. Previous research has demonstrated in cell culture, a dose dependent mechanism for inhibition by G0S2 on ATGL. However our data is not consistent with this hypothesis. There was no change in G0S2 protein content during an acute lipolytic inducing set of contractions in both whole muscle, and isolated mitochondria yet both ATGL and G0S2 increase following endurance training, in spite of the fact that there should be increased reliance on intramuscular lipolysis. Therefore, inhibition of ATGL by G0S2 appears to be regulated through more complicated intracellular or post-translation regulation.

Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 in human disease

Les maladies cardiovasculaires (MCV) demeurent au tournant de ce siècle la principale cause de mortalité dans le monde. Parmi les facteurs de risque, l’hypercholestérolémie et l’obésité abdominale sont directement liées au développement précoce de l’athérosclérose. L’hypercholestérolémie familiale, communément associée à une déficience des récepteurs des lipoprotéines de basse densité (LDLR), est connue comme cause de maladie précoce d’athérosclérose et de calcification aortique chez l’humain. La subtilisine convertase proprotéine/kexine du type 9 (PCSK9), membre de la famille des proprotéines convertases, est trouvée indirectement associée aux MCV par son implication dans la dégradation du LDLR. Chez l'humain, des mutations du gène PCSK9 conduisent soit à une hypercholestérolémie familiale, soit à une hypocholestérolémie, selon que la mutation entraîne un gain ou une perte de fonction, respectivement. Il demeure incertain si les individus porteurs de mutations causant un gain de fonction de la PCSK9 développeront une calcification aortique ou si des mutations entraînant une perte de fonction provoqueront une obésité abdominale. Dans cette étude, nous avons examiné : 1) l’effet d’une surexpression de PCSK9 dans le foie de souris sur la calcification aortique ; 2) les conséquences d’une déficience en PCSK9 (Pcsk9 KO), mimant une inhibition pharmacologique, sur le tissu graisseux. Nous avons utilisé un modèle de souris transgénique (Tg) surexprimant le cDNA de PCSK9 de souris dans les hépatocytes de souris et démontrons par tomographie calculée qu’une calcification survient de façon moins étendue chez les souris PCSK9 Tg que chez les souris déficientes en LDLR. Alors que le PCSK9 Tg et la déficience en LDLR causaient tous deux une hypercholestérolémie familiale, les niveaux seuls de cholestérol circulant ne parvenaient pas à prédire le degré de calcification aortique. Dans une seconde étude, nous utilisions des souris génétiquement manipulées dépourvues de PSCK9 et démontrons que l’accumulation de graisses viscérales (adipogenèse) apparaît régulée par la PCSK9 circulante. Ainsi, en l’absence de PCSK9, l’adipogenèse viscérale augmente vraisemblablement par régulation post-traductionnelle des récepteurs à lipoprotéines de très basse densité (VLDLR) dans le tissu adipeux. Ces deux modèles mettent en évidence un équilibre dynamique de la PCSK9 dans des voies métaboliques différentes, réalisant un élément clé dans la santé cardiovasculaire. Par conséquent, les essais d’investigations et d’altérations biologiques de la PCSK9 devraient être pris en compte dans un modèle animal valide utilisant une méthode sensible et en portant une attention prudente aux effets secondaires de toute intervention.

Immunohistochemical study of the expression of fatty acid synthase and Ki-67 in salivary gland tumors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Utilização do prebiótico Flavofeed® como suplemento dietário para juvenis de tilápia do Nilo Oreochromis niloticus

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)