Obesity is often associated with mitochondrial dysfunction. What is not clear, however, is whether this is a cause or a consequence of the condition and its detrimental effects on metabolic health. Phil Scherer and colleagues now show that by manipulating a key protein involved in mitochondrial function specifically in adipocytes the mitochondria is crucial in maintaining proper lipid levels and whole-body insulin sensitivity. We examined mouse models with altered adipocyte expression of mitoNEET, a protein residing in the mitochondrial outer membrane, to probe its impact on mitochondrial function and subsequent cellular responses. We found that overexpression of mitoNEET enhances lipid uptake and storage, leading to an expansion of the mass of adipose tissue. Despite the resulting massive obesity, benign aspects of adipose tissue expansion prevail, and insulin sensitivity is preserved. Mechanistically, we also found that mitoNEET inhibits mitochondrial iron transport into the matrix and, because iron is a rate-limiting component for electron transport, lowers the rate of β-oxidation. This effect is associated with a lower mitochondrial membrane potential and lower levels of reactive oxygen species–induced damage, along with increased production of adiponectin. Conversely, a reduction in mitoNEET expression enhances mitochondrial respiratory capacity through enhanced iron content in the matrix, ultimately corresponding to less weight gain on a high-fat diet. However, this reduction in mitoNEET expression also causes heightened oxidative stress and glucose intolerance. Thus, manipulation of mitochondrial function by varying mitoNEET expression markedly affects the dynamics of cellular and whole-body lipid homeostasis.

Iron overload is associated with increased diabetes risk. We therefore investigated the effect of iron on adiponectin, an insulin-sensitizing adipokine that is decreased in diabetic patients. In humans, normal-range serum ferritin levels were inversely associated with adiponectin, independent of inflammation. Ferritin was increased and adiponectin was decreased in type 2 diabetic and in obese diabetic subjects compared with those in equally obese individuals without metabolic syndrome. Mice fed a high-iron diet and cultured adipocytes treated with iron exhibited decreased adiponectin mRNA and protein. We found that iron negatively regulated adiponectin transcription via FOXO1-mediated repression. Further, loss of the adipocyte iron export channel, ferroportin, in mice resulted in adipocyte iron loading, decreased adiponectin, and insulin resistance. Conversely, organismal iron overload and increased adipocyte ferroportin expression because of hemochromatosis are associated with decreased adipocyte iron, increased adiponectin, improved glucose tolerance, and increased insulin sensitivity. Phlebotomy of humans with impaired glucose tolerance and ferritin values in the highest quartile of normal increased adiponectin and improved glucose tolerance. These findings demonstrate a causal role for iron as a risk factor for metabolic syndrome and a role for adipocytes in modulating metabolism through adiponectin in response to iron stores.

Abstract Dietary protein is a critical regulator of metabolic health and aging. Low protein diets are associated with healthy aging in humans, and dietary protein restriction extends the lifespan and healthspan of mice. In this study, we examined the effect of protein restriction (PR) on metabolic health and the development and progression of Alzheimer’s disease (AD) in the 3xTg mouse model of AD. Here, we show that PR promotes leanness and glycemic control in 3xTg mice, specifically rescuing the glucose intolerance of 3xTg females. PR induces sex-specific alterations in circulating and brain metabolites, downregulating sphingolipid subclasses in 3xTg females. PR also reduces AD pathology and mTORC1 activity, increases autophagy, and improves the cognition of 3xTg mice. Finally, PR improves the survival of 3xTg mice. Our results suggest that PR or pharmaceutical interventions that mimic the effects of this diet may hold promise as a treatment for AD.

Abstract Low protein (LP) diets promote health and longevity in diverse species. Although the precise components of an LP diet that mediate its beneficial effects have not been defined, reducing dietary levels of the three branched-chain amino acids (BCAAs) leucine, isoleucine and valine promotes metabolic health in both sexes, and increases lifespan while reducing frailty in male, but not female, C57BL/6J mice. Each BCAA has unique metabolic effects, and we recently showed that restriction of isoleucine is both sufficient to promote metabolic health and required for the metabolic benefits of an LP diet in male C57BL/6J mice. Here, we tested the hypothesis that specifically restricting isoleucine could promote healthy aging in genetically heterogenous UM-HET3 mice. We find that a reduced isoleucine diet improves the metabolic health of both young and old HET3 mice, promoting leanness and glycemic control. Restriction of isoleucine starting in adult, 6 month old HET3 mice reprograms hepatic metabolism in a way distinct from an LP diet. Finally, we find that a reduced isoleucine diet reduces frailty and extends the lifespan of both male and female HET3 mice, but to a much greater degree in males. Our results demonstrate that restricting dietary isoleucine can increase health span and longevity in a genetically diverse population of mice, and suggests that reducing dietary levels of isoleucine may have great potential as a geroprotective intervention.

Abstract Plasma lipid levels are altered in chronic conditions such as type 2 diabetes and cardiovascular disease as well as acute stresses such as fasting and cold exposure. Advances in mass spectrometry based lipidomics have uncovered the complexity of the plasma lipidome which includes over 500 lipids that serve functional roles including energy substrate and signaling molecule. The plasma lipid pool is maintained through regulation of tissue production, secretion, and uptake. A major challenge is establishing the tissues of origin and uptake for various plasma lipids, which is necessary to determine the lipid function. Using cold exposure as an acute stress, we performed global lipidomics on the plasma and nine tissues that may contribute to the circulating pool. We found that numerous species of plasma acylcarnitines (ACars) and ceramides were significantly changed with cold exposure. Through computational assessment, we identified the liver and brown adipose tissue (BAT) as major contributors and consumers of circulating ACars, in agreement with our previous work. We further identified the kidney and intestine as novel contributors to the circulating ACar pool and validated these findings with gene expression analysis. Regression analysis also identified that the BAT and kidney as regulators of the plasma ceramide pool. These studies provide an adaptable computational tool to assess tissue contribution to the plasma lipid pool. Our findings have implications in understanding the function of plasma ACars and ceramides, which are elevated in metabolic diseases. Summary There are over 500 identified lipids in circulating plasma, many without known origin or function. Using untargeted lipidomics on plasma and nine other tissues of cold exposed mice, we identified novel regulation of circulating acylcarnitines through the kidney and intestine, and a multiorgan system that regulates plasma ceramides. Our findings offer new targets for the study and functional characterization of circulating lipids in acute cold exposure and a computational resource for other investigators to explore multi-tissue lipidome remodeling during cold exposure. Highlights Global lipidomics atlas of 9 tissues and plasma demonstrate dynamic shift with cold exposure. Adaptive resource for the selection of extraction method, data processing, and data analysis of multi-tissue global lipidomics data. Regression analysis identified the liver, BAT, intestine, and kidney as regulators of the plasma acylcarnitine pool that are not apparent by lipid levels alone. Acute cold exposure increases plasma ceramide levels, with the BAT and kidney as major contributors

Fatty acid β-oxidation (FAO) is a central catabolic pathway with broad implications for organismal health. However, various fatty acids are largely incompatible with standard FAO machinery until they are modified by other enzymes. Included among these are the 4-hydroxy acids (4-HAs)-fatty acids hydroxylated at the 4 (γ) position-which can be provided from dietary intake, lipid peroxidation, and certain drugs of abuse. Here, we reveal that two atypical and poorly characterized acyl-CoA dehydrogenases (ACADs), ACAD10 and ACAD11, drive 4-HA catabolism in mice. Unlike other ACADs, ACAD10 and ACAD11 feature kinase domains N-terminal to their ACAD domains that phosphorylate the 4-OH position as a requisite step in the conversion of 4-hydroxyacyl-CoAs into 2-enoyl-CoAs-conventional FAO intermediates. Our ACAD11 cryo-EM structure and molecular modeling reveal a unique binding pocket capable of accommodating this phosphorylated intermediate. We further show that ACAD10 is mitochondrial and necessary for catabolizing shorter-chain 4-HAs, whereas ACAD11 is peroxisomal and enables longer-chain 4-HA catabolism. Mice lacking ACAD11 accumulate 4-HAs in their plasma while comparable 3- and 5-hydroxy acids remain unchanged. Collectively, this work defines ACAD10 and ACAD11 as the primary gatekeepers of mammalian 4-HA catabolism and sets the stage for broader investigations into the ramifications of aberrant 4-HA metabolism in human health and disease.

A growing number of geroprotectors have demonstrated healthspan extension in young animals, but the effectiveness of these therapies when commenced in midlife or later has been under-studied. We and others have shown that much like calorie restriction (CR), restriction of specific nutrients, including total protein, the three branched-chain amino acids leucine, isoleucine, and valine, or isoleucine alone, can promote lifespan and metabolic health. While CR is less efficacious when starting in late life, the effects of interventions restricting amino acids in late life on healthy aging is unknown. Here, we investigate the metabolic, molecular, and physiological effects of consuming diets with a 67% reduction of either all amino acids (Low AA) or of isoleucine alone (Low Ile) in male and female C57BL/6J.Nia mice starting at 20 months of age. We find that both diets reduce adiposity in aged mice; however, these diets decreased lean mass, and did not show significant improvements in frailty or fitness. The glucose tolerance of both male and female mice consuming Low Ile and Low AA diets were improved. We also observed a moderate increase in energy expenditure and respiratory exchange ratio induced by the two dietary interventions. In the hearts of aged female mice, Low Ile reversed age-associated changes in heart rate and stroke volume, returning cardiac function to similar levels as observed in young mice. We found that both Low AA and Low Ile diets promoted a more youthful molecular cardiac profile, preventing age-dependent increases in phosphatidylglycerols. These results demonstrate that Low AA and Low Ile diets can improve aspects of metabolic health in aged mice of both sexes, and has positive effects on cardiac health in aged females, suggesting that these dietary interventions are translationally promising for promoting healthy aging even in older people.

Abstract Hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) is an established transcriptional master regulator of differentiation, maintenance, and metabolism. Polymorphisms in HNF4α are linked to several diseases in humans including diabetes and nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). Identifying novel regulation of lipid metabolism by HNF4α would inform on NAFLD development and progression. We directly assessed HNF4α activity through chromatin immunoprecipitation (ChIP)-sequencing and integration of untargeted lipidomics. Direct regulation by HNF4α can be difficult to assess due to the role of HNF4α in liver homeostasis; to rapidly disrupt activity, mice were exposed to cold stress which induces hepatic steatosis in several hours. Cold exposure shifted HNF4α activity with differential genome occupancy of more than 50% of HNF4α binding sites. Focusing on HNF4α binding to promoter with active transcription determined that HNF4α directly regulates fatty acid desaturation, ether lipid synthesis, and peroxisomal biogenesis in response to cold exposure. Integration of lipidomics found that cold exposure increases the very long chain polyunsaturated fatty acid composition of the hepatic lipid pool, including ether lipids, in an HNF4α dependent manner. Because portions of ether lipid synthesis are in the peroxisome and peroxisomal biogenesis is directly HNF4α regulated, we analyzed peroxisomal abundance and found increases with cold exposure that are ablated with loss of HNF4α. This peroxisomal regulation was independent of PPARα— a known regulator of peroxisomes and lipid metabolism—since loss of HNF4α was not rescued by PPARα overexpression. These data determined that regulation of hepatic steatosis by HNF4α is more complex than triglyceride accumulation and includes acyl chain modifications, ether lipid synthesis, and peroxisomal oxidation.

Abstract Lysosomes catabolize lipids and other biological molecules, a function essential for cellular and organismal homeostasis. Key to lipid catabolism in the lysosome is bis(monoacylglycero)phosphate (BMP), a major lipid constituent of intralysosomal vesicles (ILVs) and a stimulator of lipid-degrading enzymes. BMP levels are altered in a broad spectrum of human conditions, including neurodegenerative diseases. Although BMP synthase was recently discovered, it has long been thought that BMP’s unique stereochemistry confers resistance to acid phospholipases, a requirement for its role in the lysosome. Here, we demonstrate that PLA2G15, a major lysosomal phospholipase, efficiently hydrolyzes BMP with primary esters regardless of stereochemistry. Interestingly, we discover that BMP’s unique esterification position is what confers resistance to hydrolysis. Purified PLA2G15 catabolizes most BMP species derived from cell and tissue lysosomes under acidic conditions. Furthermore, PLA2G15 catalytic activity against synthesized BMP stereoisomers with primary esters was comparable to its canonical substrates. Conversely, BMP with secondary esters is intrinsically stable in vitro and requires acyl migration for hydrolysis in lysosomes. Consistent with our biochemical data, PLA2G15-deficient tissues and cells accumulate multiple BMP species, a phenotype reversible by supplementing wildtype PLA2G15 but not its catalytically dead mutant. Increasing BMP levels by targeting PLA2G15 reverses the cholesterol accumulation phenotype in Niemann Pick Disease Type C (NPC1) patient fibroblasts and significantly ameliorate disease pathologies in NPC1-deficient mice leading to extended lifespan. Our findings establish the rules that govern the stability of BMP in the lysosome and identify PLA2G15 as a lysosomal BMP hydrolase and as a potential target for modulating BMP levels for therapeutic intervention.

can transiently or persistently colonize the human gut, posing a risk factor for infections. This colonization is influenced by complex molecular and ecological interactions with human gut microbiota. By investigating