Summary

 Ever since eukaryotes subsumed the bacterial ancestor of mitochondria, the nuclear and mitochondrial genomes have had to closely coordinate their activities, as each encode different subunits of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system. Mitochondrial dysfunction is a hallmark of aging, but its causes are debated. We show that, during aging, there is a specific loss of mitochondrial, but not nuclear, encoded OXPHOS subunits. We trace the cause to an alternate PGC-1α/β-independent pathway of nuclear-mitochondrial communication that is induced by a decline in nuclear NAD⁺ and the accumulation of HIF-1α under normoxic conditions, with parallels to Warburg reprogramming. Deleting SIRT1 accelerates this process, whereas raising NAD⁺ levels in old mice restores mitochondrial function to that of a young mouse in a SIRT1-dependent manner. Thus, a pseudohypoxic state that disrupts PGC-1α/β-independent nuclear-mitochondrial communication contributes to the decline in mitochondrial function with age, a process that is apparently reversible.

The fundamental questions of what represents a macronutritionally balanced diet and how this maintains health and longevity remain unanswered. Here, the Geometric Framework, a state-space nutritional modeling method, was used to measure interactive effects of dietary energy, protein, fat, and carbohydrate on food intake, cardiometabolic phenotype, and longevity in mice fed one of 25 diets ad libitum. Food intake was regulated primarily by protein and carbohydrate content. Longevity and health were optimized when protein was replaced with carbohydrate to limit compensatory feeding for protein and suppress protein intake. These consequences are associated with hepatic mammalian target of rapamycin (mTOR) activation and mitochondrial function and, in turn, related to circulating branched-chain amino acids and glucose. Calorie restriction achieved by high-protein diets or dietary dilution had no beneficial effects on lifespan. The results suggest that longevity can be extended in ad libitum-fed animals by manipulating the ratio of macronutrients to inhibit mTOR activation.

A procedure for the extraction, separation, and quantitative estimation of amino acids from small samples (5 mg) of plant tissue, and thus suited to tracer studies, is described. Extraction used a methanol/chloroform/water mixture that enabled subsequent removal of pigments and lipids in the chloroform layer. Without further purification, components of the aqueous layer were separated by thin-layer high-voltage electrophoresis. Use of a linear origin permitted higher loadings and minimized trailing. Bands resulting from the electrophoretic separation were reduced to spots, by elution with water, before commencing chromatographic separation in the second dimension. High loadings of sugar (10 mg per origin), organic acid (2 mg), and salt (0.5 mg) did not interfere with separation. Amino acids were revealed with ninhydrin or by autoradiography. Cellulose acetate was then used to bind the adsorbent particles into a film, so that individual regions of the chromatogram could be cut and lifted out as a coherent piece. The colored ninhydrin product was eluted and measured colorimetrically; or the C14-labeled area was placed in a standard liquid scintillant and its radioactivity was measured. The main virtues of the method are its speed, simplicity, and ability to handle crude extracts from small tissue samples.

A reduced capacity for mitochondrial fatty acid oxidation in skeletal muscle has been proposed as a major factor leading to the accumulation of intramuscular lipids and their subsequent deleterious effects on insulin action. Here, we examine markers of mitochondrial fatty acid oxidative capacity in rodent models of insulin resistance associated with an oversupply of lipids. C57BL/6J mice were fed a high-fat diet for either 5 or 20 weeks. Several markers of muscle mitochondrial fatty acid oxidative capacity were measured, including 14C-palmitate oxidation, palmitoyl-CoA oxidation in isolated mitochondria, oxidative enzyme activity (citrate synthase, β-hydroxyacyl CoA dehydrogenase, medium-chain acyl-CoA dehydrogenase, and carnitine palmitoyl-transferase 1), and expression of proteins involved in mitochondrial metabolism. Enzyme activity and mitochondrial protein expression were also examined in muscle from other rodent models of insulin resistance. Compared with standard diet–fed controls, muscle from fat-fed mice displayed elevated palmitate oxidation rate (5 weeks +23%, P < 0.05, and 20 weeks +29%, P < 0.05) and increased palmitoyl-CoA oxidation in isolated mitochondria (20 weeks +49%, P < 0.01). Furthermore, oxidative enzyme activity and protein expression of peroxisome proliferator–activated receptor γ coactivator (PGC)-1α, uncoupling protein (UCP) 3, and mitochondrial respiratory chain subunits were significantly elevated in fat-fed animals. A similar pattern was present in muscle of fat-fed rats, obese Zucker rats, and db/db mice, with increases observed for oxidative enzyme activity and expression of PGC-1α, UCP3, and subunits of the mitochondrial respiratory chain. These findings suggest that high lipid availability does not lead to intramuscular lipid accumulation and insulin resistance in rodents by decreasing muscle mitochondrial fatty acid oxidative capacity.

We know a great deal about the cellular response to starvation via AMPK, but less is known about the reaction to nutrient excess. Insulin resistance may be an appropriate response to nutrient excess, but the cellular sensors that link these parameters remain poorly defined. In the present study we provide evidence that mitochondrial superoxide production is a common feature of many different models of insulin resistance in adipocytes, myotubes, and mice. In particular, insulin resistance was rapidly reversible upon exposure to agents that act as mitochondrial uncouplers, ETC inhibitors, or mitochondrial superoxide dismutase (MnSOD) mimetics. Similar effects were observed with overexpression of mitochondrial MnSOD. Furthermore, acute induction of mitochondrial superoxide production using the complex III antagonist antimycin A caused rapid attenuation of insulin action independently of changes in the canonical PI3K/Akt pathway. These results were validated in vivo in that MnSOD transgenic mice were partially protected against HFD induced insulin resistance and MnSOD+/− mice were glucose intolerant on a standard chow diet. These data place mitochondrial superoxide at the nexus between intracellular metabolism and the control of insulin action potentially defining this as a metabolic sensor of energy excess.

OBJECTIVE—Berberine (BBR) activates AMP-activated protein kinase (AMPK) and improves insulin sensitivity in rodent models of insulin resistance. We investigated the mechanism of activation of AMPK by BBR and explored whether derivatization of BBR could improve its in vivo efficacy. RESEARCH DESIGN AND METHODS—AMPK phosphorylation was examined in L6 myotubes and LKB1−/− cells, with or without the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase (CAMKK) inhibitor STO-609. Oxygen consumption was measured in L6 myotubes and isolated muscle mitochondria. The effect of a BBR derivative, dihydroberberine (dhBBR), on adiposity and glucose metabolism was examined in rodents fed a high-fat diet. RESULTS—We have made the following novel observations: 1) BBR dose-dependently inhibited respiration in L6 myotubes and muscle mitochondria, through a specific effect on respiratory complex I, similar to that observed with metformin and rosiglitazone; 2) activation of AMPK by BBR did not rely on the activity of either LKB1 or CAMKKβ, consistent with major regulation at the level of the AMPK phosphatase; and 3) a novel BBR derivative, dhBBR, was identified that displayed improved in vivo efficacy in terms of counteracting increased adiposity, tissue triglyceride accumulation, and insulin resistance in high-fat–fed rodents. This effect is likely due to enhanced oral bioavailability. CONCLUSIONS—Complex I of the respiratory chain represents a major target for compounds that improve whole-body insulin sensitivity through increased AMPK activity. The identification of a novel derivative of BBR with improved in vivo efficacy highlights the potential importance of BBR as a novel therapy for the treatment of type 2 diabetes.

While it is well known that diet-induced obesity causes insulin resistance, the precise mechanisms underpinning the initiation of insulin resistance are unclear. To determine factors that may cause insulin resistance, we have performed a detailed time-course study in mice fed a high-fat diet (HFD). C57Bl/6 mice were fed chow or an HFD from 3 days to 16 weeks and glucose tolerance and tissue-specific insulin action were determined. Tissue lipid profiles were analysed by mass spectrometry and inflammatory markers were measured in adipose tissue, liver and skeletal muscle. Glucose intolerance developed within 3 days of the HFD and did not deteriorate further in the period to 12 weeks. Whole-body insulin resistance, measured by hyperinsulinaemic–euglycaemic clamp, was detected after 1 week of HFD and was due to hepatic insulin resistance. Adipose tissue was insulin resistant after 1 week, while skeletal muscle displayed insulin resistance at 3 weeks, coinciding with a defect in glucose disposal. Interestingly, no further deterioration in insulin sensitivity was observed in any tissue after this initial defect. Diacylglycerol content was increased in liver and muscle when insulin resistance first developed, while the onset of insulin resistance in adipose tissue was associated with increases in ceramide and sphingomyelin. Adipose tissue inflammation was only detected at 16 weeks of HFD and did not correlate with the induction of insulin resistance. HFD-induced whole-body insulin resistance is initiated by impaired hepatic insulin action and exacerbated by skeletal muscle insulin resistance and is associated with the accumulation of specific bioactive lipid species.

A decline in capillary density and blood flow with age is a major cause of mortality and morbidity. Understanding why this occurs is key to future gains in human health. NAD precursors reverse aspects of aging, in part, by activating sirtuin deacylases (SIRT1-SIRT7) that mediate the benefits of exercise and dietary restriction (DR). We show that SIRT1 in endothelial cells is a key mediator of pro-angiogenic signals secreted from myocytes. Treatment of mice with the NAD

Four cucurbitane glycosides, momordicosides Q, R, S, and T, and stereochemistry-established karaviloside XI, were isolated from the vegetable bitter melon (Momordica charantia). These compounds and their aglycones exhibited a number of biologic effects beneficial to diabetes and obesity. In both L6 myotubes and 3T3-L1 adipocytes, they stimulated GLUT4 translocation to the cell membrane--an essential step for inducible glucose entry into cells. This was associated with increased activity of AMP-activated protein kinase (AMPK), a key pathway mediating glucose uptake and fatty acid oxidation. Furthermore, momordicoside(s) enhanced fatty acid oxidation and glucose disposal during glucose tolerance tests in both insulin-sensitive and insulin-resistant mice. These findings indicate that cucurbitane triterpenoids, the characteristic constituents of M. charantia, may provide leads as a class of therapeutics for diabetes and obesity.

Metabolic disorders are commonly investigated using knockout and transgenic mouse models. A variety of mouse strains have been used for this purpose. However, mouse strains can differ in their inherent propensities to develop metabolic disease, which may affect the experimental outcomes of metabolic studies. We have investigated strain-dependent differences in the susceptibility to diet-induced obesity and insulin resistance in five commonly used inbred mouse strains (C57BL/6J, 129X1/SvJ, BALB/c, DBA/2 and FVB/N). Mice were fed either a low-fat or a high-fat diet (HFD) for 8 weeks. Whole-body energy expenditure and body composition were then determined. Tissues were used to measure markers of mitochondrial metabolism, inflammation, oxidative stress and lipid accumulation. BL6, 129X1, DBA/2 and FVB/N mice were all susceptible to varying degrees to HFD-induced obesity, glucose intolerance and insulin resistance, but BALB/c mice exhibited some protection from these detrimental effects. This protection could not be explained by differences in mitochondrial metabolism or oxidative stress in liver or muscle, or inflammation in adipose tissue. Interestingly, in contrast with the other strains, BALB/c mice did not accumulate excess lipid (triacylglycerols and diacylglycerols) in the liver; this is potentially related to lower fatty acid uptake rather than differences in lipogenesis or lipid oxidation. Collectively, our findings indicate that most mouse strains develop metabolic defects on an HFD. However, there are inherent differences between strains, and thus the genetic background needs to be considered carefully in metabolic studies.