Obesity results from an imbalance between energy intake and expenditure. In rodents and newborn humans, brown adipose tissue helps regulate energy expenditure by thermogenesis mediated by the expression of uncoupling protein 1 (UCP1), but brown adipose tissue has been considered to have no physiologic relevance in adult humans.

Brown adipose tissue (BAT) is known to function in the dissipation of chemical energy in response to cold or excess feeding, and also has the capacity to modulate energy balance. To test the hypothesis that BAT is fundamental to the regulation of glucose homeostasis, we transplanted BAT from male donor mice into the visceral cavity of age- and sex-matched recipient mice. By 8–12 weeks following transplantation, recipient mice had improved glucose tolerance, increased insulin sensitivity, lower body weight, decreased fat mass, and a complete reversal of high-fat diet–induced insulin resistance. Increasing the quantity of BAT transplanted into recipient mice further improved the metabolic effects of transplantation. BAT transplantation increased insulin-stimulated glucose uptake in vivo into endogenous BAT, white adipose tissue (WAT), and heart muscle but, surprisingly, not skeletal muscle. The improved metabolic profile was lost when the BAT used for transplantation was obtained from Il6–knockout mice, demonstrating that BAT-derived IL-6 is required for the profound effects of BAT transplantation on glucose homeostasis and insulin sensitivity. These findings reveal a previously under-appreciated role for BAT in glucose metabolism.

Originally identified as a bone inducer, BMP-7 also has potent renal- and neuro-regenerative effects. Now it is reported to regulate energy homeostasis by promoting differentiation of brown, but not white, fat cells. BMP-7 switches on regulators of brown fat, including PRDM16 (see the cover story) and adipogenic transcription factors, and stimulates mitochondrial biogenesis. Ectopic expression of BMP-7 in mice increases brown, but not white, fat mass and leads to an increase in energy expenditure and reduced weight gain. These results have obvious therapeutic implications for the treatment of obesity. A member of the family of bone morphogenetic proteins, BMP-7, promotes the differentiation of brown, not white, fat cells. BMP-7 switches on regulators of brown fat, among which there is PRDM16, adipogenic transcription factors, and mitochondrial biogenesis. BMP-7 can persuade mesenchymal progenitor cells to become brown adipocytes. Without BMP-7 less brown fat develops. Adipose tissue is central to the regulation of energy balance. Two functionally different types of fat are present in mammals: white adipose tissue, the primary site of triglyceride storage, and brown adipose tissue, which is specialized in energy expenditure and can counteract obesity1. Factors that specify the developmental fate and function of white and brown adipose tissue remain poorly understood2,3. Here we demonstrate that whereas some members of the family of bone morphogenetic proteins (BMPs) support white adipocyte differentiation, BMP7 singularly promotes differentiation of brown preadipocytes even in the absence of the normally required hormonal induction cocktail. BMP7 activates a full program of brown adipogenesis including induction of early regulators of brown fat fate PRDM16 (PR-domain-containing 16; ref. 4) and PGC-1α (peroxisome proliferator-activated receptor-γ (PPARγ) coactivator-1α; ref. 5), increased expression of the brown-fat-defining marker uncoupling protein 1 (UCP1) and adipogenic transcription factors PPARγ and CCAAT/enhancer-binding proteins (C/EBPs), and induction of mitochondrial biogenesis via p38 mitogen-activated protein (MAP) kinase-(also known as Mapk14) and PGC-1-dependent pathways. Moreover, BMP7 triggers commitment of mesenchymal progenitor cells to a brown adipocyte lineage, and implantation of these cells into nude mice results in development of adipose tissue containing mostly brown adipocytes. Bmp7 knockout embryos show a marked paucity of brown fat and an almost complete absence of UCP1. Adenoviral-mediated expression of BMP7 in mice results in a significant increase in brown, but not white, fat mass and leads to an increase in energy expenditure and a reduction in weight gain. These data reveal an important role of BMP7 in promoting brown adipocyte differentiation and thermogenesis in vivo and in vitro, and provide a potential new therapeutic approach for the treatment of obesity.

Brown adipose tissue (BAT) burns, rather than stores, energy and has thus been explored as a way to combat obesity. Aaron Cypess and his colleagues isolate neck fat from adult humans and show that BAT exists in this region, define its anatomical localization in the neck relative to white adipose tissue and demonstrate that it is functional. The imbalance between energy intake and expenditure is the underlying cause of the current obesity and diabetes pandemics. Central to these pathologies is the fat depot: white adipose tissue (WAT) stores excess calories, and brown adipose tissue (BAT) consumes fuel for thermogenesis using tissue-specific uncoupling protein 1 (UCP1)1,2. BAT was once thought to have a functional role in rodents and human infants only, but it has been recently shown that in response to mild cold exposure, adult human BAT consumes more glucose per gram than any other tissue3. In addition to this nonshivering thermogenesis, human BAT may also combat weight gain by becoming more active in the setting of increased whole-body energy intake4,5,6,7. This phenomenon of BAT-mediated diet-induced thermogenesis has been observed in rodents8 and suggests that activation of human BAT could be used as a safe treatment for obesity and metabolic dysregulation9. In this study, we isolated anatomically defined neck fat from adult human volunteers and compared its gene expression, differentiation capacity and basal oxygen consumption to different mouse adipose depots. Although the properties of human neck fat vary substantially between individuals, some human samples share many similarities with classical, also called constitutive, rodent BAT.

β cell dysfunction is a central component of the pathogenesis of type 2 diabetes. Using oligonucleotide microarrays and real-time PCR of pancreatic islets isolated from humans with type 2 diabetes versus normal glucose-tolerant controls, we identified multiple changes in expression of genes known to be important in β cell function, including major decreases in expression of HNF4α, insulin receptor, IRS2, Akt2, and several glucose-metabolic-pathway genes. There was also a 90% decrease in expression of the transcription factor ARNT. Reducing ARNT levels in Min6 cells with small interfering RNA (siRNA) resulted in markedly impaired glucose-stimulated insulin release and changes in gene expression similar to those in human type 2 islets. Likewise, β cell-specific ARNT knockout mice exhibited abnormal glucose tolerance, impaired insulin secretion, and changes in islet gene expression that mimicked those in human diabetic islets. Together, these data suggest an important role for decreased ARNT and altered gene expression in the impaired islet function of human type 2 diabetes.

Brown fat is specialized for energy expenditure and has therefore been proposed to function as a defense against obesity. Despite recent advances in delineating the transcriptional regulation of brown adipocyte differentiation, cellular lineage specification and developmental cues specifying brown-fat cell fate remain poorly understood. In this study, we identify and isolate a subpopulation of adipogenic progenitors (Sca-1 + /CD45 − /Mac1 − ; referred to as Sca-1 + progenitor cells, ScaPCs) residing in murine brown fat, white fat, and skeletal muscle. ScaPCs derived from different tissues possess unique molecular expression signatures and adipogenic capacities. Importantly, although the ScaPCs from interscapular brown adipose tissue (BAT) are constitutively committed brown-fat progenitors, Sca-1 + cells from skeletal muscle and subcutaneous white fat are highly inducible to differentiate into brown-like adipocytes upon stimulation with bone morphogenetic protein 7 (BMP7). Consistent with these findings, human preadipocytes isolated from subcutaneous white fat also exhibit the greatest inducible capacity to become brown adipocytes compared with cells isolated from mesenteric or omental white fat. When muscle-resident ScaPCs are re-engrafted into skeletal muscle of syngeneic mice, BMP7-treated ScaPCs efficiently develop into adipose tissue with brown fat-specific characteristics. Importantly, ScaPCs from obesity-resistant mice exhibit markedly higher thermogenic capacity compared with cells isolated from obesity-prone mice. These data establish the molecular characteristics of tissue-resident adipose progenitors and demonstrate a dynamic interplay between these progenitors and inductive signals that act in concert to specify brown adipocyte development.

Lung stem cells are instructed to produce lineage-specific progeny through unknown factors in their microenvironment. We used clonal 3D cocultures of endothelial cells and distal lung stem cells, bronchioalveolar stem cells (BASCs), to probe the instructive mechanisms. Single BASCs had bronchiolar and alveolar differentiation potential in lung endothelial cell cocultures. Gain- and loss-of-function experiments showed that BMP4-Bmpr1a signaling triggers calcineurin/NFATc1-dependent expression of thrombospondin-1 (Tsp1) in lung endothelial cells to drive alveolar lineage-specific BASC differentiation. Tsp1 null mice exhibited defective alveolar injury repair, confirming a crucial role for the BMP4-NFATc1-TSP1 axis in lung epithelial differentiation and regeneration in vivo. Discovery of this pathway points to methods to direct the derivation of specific lung epithelial lineages from multipotent cells. These findings elucidate a pathway that may be a critical target in lung diseases and provide tools to understand the mechanisms of respiratory diseases at the single-cell level.

Brown adipose tissue (BAT) acts in mammals as a natural defense system against hypothermia, and its activation to a state of increased energy expenditure is believed to protect against the development of obesity. Even though the existence of BAT in adult humans has been widely appreciated, its cellular origin and molecular identity remain elusive largely because of high cellular heterogeneity within various adipose tissue depots. To understand the nature of adult human brown adipocytes at single cell resolution, we isolated clonally derived adipocytes from stromal vascular fractions of adult human BAT from two individuals and globally analyzed their molecular signatures. We used RNA sequencing followed by unbiased genome-wide expression analyses and found that a population of uncoupling protein 1 (UCP1)-positive human adipocytes possessed molecular signatures resembling those of a recruitable form of thermogenic adipocytes (that is, beige adipocytes). In addition, we identified molecular markers that were highly enriched in UCP1-positive human adipocytes, a set that included potassium channel K3 (KCNK3) and mitochondrial tumor suppressor 1 (MTUS1). Further, we functionally characterized these two markers using a loss-of-function approach and found that KCNK3 and MTUS1 were required for beige adipocyte differentiation and thermogenic function. The results of this study present new opportunities for human BAT research, such as facilitating cell-based disease modeling and unbiased screens for thermogenic regulators.

Insulin resistance, obesity, diabetes, dyslipidemia, and nonalcoholic fatty liver are components of the metabolic syndrome, a disease complex that is increasing at epidemic rates in westernized countries. Although proinflammatory cytokines have been suggested to contribute to the development of these disorders, the molecular mechanism is poorly understood. Here we show that overexpression of suppressors of cytokine signaling (SOCS)-1 and SOCS-3 in liver causes insulin resistance and an increase in the key regulator of fatty acid synthesis in liver, sterol regulatory element-binding protein (SREBP)-1c. Conversely, inhibition of SOCS-1 and -3 in obese diabetic mice improves insulin sensitivity, normalizes the increased expression of SREBP-1c, and dramatically ameliorates hepatic steatosis and hypertriglyceridemia. In obese animals, increased SOCS proteins enhance SREBP-1c expression by antagonizing STAT3-mediated inhibition of SREBP-1c promoter activity. Thus, SOCS proteins play an important role in pathogenesis of the metabolic syndrome by concordantly modulating insulin signaling and cytokine signaling.

A shortage of constitutive brown adipose tissue is shown to result when brown adipogenic progenitor cells lack a type of BMP receptor; however, this leads to an increase in sympathetic input to white adipose tissue and a compensatory browning of white fat depots. There are two types of brown adipose tissue (BAT), the fat specialized for thermoregulation. Constitutive BAT (cBAT) is of embryonic origin and shares developmental ancestry with skeletal muscle, and recruitable BAT (rBAT) is found within white adipose tissue and skeletal muscle but derives from a non-myogenic lineage. These authors show that a shortage of cBAT ensues in mice when brown adipogenic progenitor cells lack a particular type of BMP receptor, but this leads to an increase in sympathetic input to white adipose tissue and a compensatory browning of white fat depots. This compensatory mechanism suffices to maintain normal temperature homeostasis and resistance to diet-induced obesity. Targeting these mechanisms, for instance by modifying BMP signalling to regulate BAT mass and activity, could be a feasible approach to the treatment of obesity. Maintenance of body temperature is essential for the survival of homeotherms. Brown adipose tissue (BAT) is a specialized fat tissue that is dedicated to thermoregulation1. Owing to its remarkable capacity to dissipate stored energy and its demonstrated presence in adult humans2,3,4,5, BAT holds great promise for the treatment of obesity and metabolic syndrome1. Rodent data suggest the existence of two types of brown fat cells: constitutive BAT (cBAT), which is of embryonic origin and anatomically located in the interscapular region of mice; and recruitable BAT (rBAT), which resides within white adipose tissue (WAT)6 and skeletal muscle7, and has alternatively been called beige8, brite9 or inducible BAT10. Bone morphogenetic proteins (BMPs) regulate the formation and thermogenic activity of BAT10,11,12. Here we use mouse models to provide evidence for a systemically active regulatory mechanism that controls whole-body BAT activity for thermoregulation and energy homeostasis. Genetic ablation of the type 1A BMP receptor (Bmpr1a) in brown adipogenic progenitor cells leads to a severe paucity of cBAT. This in turn increases sympathetic input to WAT, thereby promoting the formation of rBAT within white fat depots. This previously unknown compensatory mechanism, aimed at restoring total brown-fat-mediated thermogenic capacity in the body, is sufficient to maintain normal temperature homeostasis and resistance to diet-induced obesity. These data suggest an important physiological cross-talk between constitutive and recruitable brown fat cells. This sophisticated regulatory mechanism of body temperature may participate in the control of energy balance and metabolic disease.