Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) is a neurotrophic polypeptide, distantly related to transforming growth factor-beta (TGF-beta), originally isolated by virtue of its ability to induce dopamine uptake and cell survival in cultures of embryonic ventral midbrain dopaminergic neurons, and more recently shown to be a potent neurotrophic factor for motorneurons. The biological activities and distribution of this molecule outside the central nervous system are presently unknown. We report here on the mRNA expression, biological activities and initial receptor binding characterization of GDNF and a shorter spliced variant termed GDNF beta in different organs and peripheral neurons of the developing rat. Both GDNF mRNA forms were found to be most highly expressed in developing skin, whisker pad, kidney, stomach and testis. Lower expression was also detected in developing skeletal muscle, ovary, lung, and adrenal gland. Developing spinal cord, superior cervical ganglion (SCG) and dorsal root ganglion (DRG) also expressed low levels of GDNF mRNA. Two days after nerve transection, GDNF mRNA levels increased dramatically in the sciatic nerve. Overall, GDNF mRNA expression was significantly higher in peripheral organs than in neuronal tissues. Expression of either GDNF mRNA isoform in insect cells resulted in the production of indistinguishable mature GDNF polypeptides. Purified recombinant GDNF promoted neurite outgrowth and survival of embryonic chick sympathetic neurons. GDNF produced robust bundle-like, fasciculated outgrowth from chick sympathetic ganglion explants. Although GDNF displayed only low activity on survival of newborn rat SCG neurons, this protein was found to increase the expression of vasoactive intestinal peptide and preprotachykinin-A mRNAs in cultured SCG neurons. GDNF also promoted survival of about half of the neurons in embryonic chick nodose ganglion and a small subpopulation of embryonic sensory neurons in chick dorsal root and rat trigeminal ganglia. Embryonic chick sympathetic neurons expressed receptors for GDNF with Kd 1-5 x 10(-9) M, as measured by saturation and displacement binding assays. Our findings indicate GDNF is a new neurotrophic factor for developing peripheral neurons and suggest possible non-neuronal roles for GDNF in the developing reproductive system.

OBJECTIVE Adipose tissue may contain few large adipocytes (hypertrophy) or many small adipocytes (hyperplasia). We investigated factors of putative importance for adipose tissue morphology. RESEARCH DESIGN AND METHODS Subcutaneous adipocyte size and total fat mass were compared in 764 subjects with BMI 18–60 kg/m2. A morphology value was defined as the difference between the measured adipocyte volume and the expected volume given by a curved-line fit for a given body fat mass and was related to insulin values. In 35 subjects, in vivo adipocyte turnover was measured by exploiting incorporation of atmospheric 14C into DNA. RESULTS Occurrence of hyperplasia (negative morphology value) or hypertrophy (positive morphology value) was independent of sex and body weight but correlated with fasting plasma insulin levels and insulin sensitivity, independent of adipocyte volume (β-coefficient = 0.3, P < 0.0001). Total adipocyte number and morphology were negatively related (r = −0.66); i.e., the total adipocyte number was greatest in pronounced hyperplasia and smallest in pronounced hypertrophy. The absolute number of new adipocytes generated each year was 70% lower (P < 0.001) in hypertrophy than in hyperplasia, and individual values for adipocyte generation and morphology were strongly related (r = 0.7, P < 0.001). The relative death rate (∼10% per year) or mean age of adipocytes (∼10 years) was not correlated with morphology. CONCLUSIONS Adipose tissue morphology correlates with insulin measures and is linked to the total adipocyte number independently of sex and body fat level. Low generation rates of adipocytes associate with adipose tissue hypertrophy, whereas high generation rates associate with adipose hyperplasia.

OBJECTIVE Comprehensive proteomic profiling of the human adipocyte secretome identified dipeptidyl peptidase 4 (DPP4) as a novel adipokine. This study assessed the functional implications of the adipokine DPP4 and its association to the metabolic syndrome. RESEARCH DESIGN AND METHODS Human adipocytes and skeletal and smooth muscle cells were used to monitor DPP4 release and assess the effects of soluble DPP4 on insulin signaling. In lean and obese subjects, depot-specific expression of DPP4 and its release from adipose tissue explants were determined and correlated to parameters of the metabolic syndrome. RESULTS Fully differentiated adipocytes exhibit a substantially higher release of DPP4 compared with preadipocytes or macrophages. Direct addition of DPP4 to fat and skeletal and smooth muscle cells impairs insulin signaling. A fivefold higher level of DPP4 protein expression was seen in visceral compared with subcutaneous fat of obese patients, with no regional difference in lean subjects. DPP4 serum concentrations significantly correlated with adipocyte size. By using adipose tissue explants from lean and obese subjects, we observed a twofold increase in DPP4 release that strongly correlated with adipocyte volume and parameters of the metabolic syndrome and was decreased to the lean level after weight reduction. DPP4 released from adipose tissue correlated positively with an increasing risk score for the metabolic syndrome. CONCLUSIONS DPP4 is a novel adipokine that may impair insulin sensitivity in an autocrine and paracrine fashion. Furthermore, DPP4 release strongly correlates with adipocyte size, potentially representing an important source of DPP4 in obesity. Therefore, we suggest that DPP4 may be involved in linking adipose tissue and the metabolic syndrome.

The mobilization of fat stored in adipose tissue is mediated by hormone-sensitive lipase (HSL) and the recently characterized adipose triglyceride lipase (ATGL), yet their relative importance in lipolysis is unknown. We show that a novel potent inhibitor of HSL does not inhibit other lipases. The compound counteracted catecholamine-stimulated lipolysis in mouse adipocytes and had no effect on residual triglyceride hydrolysis and lipolysis in HSL-null mice. In human adipocytes, catecholamine- and natriuretic peptide–induced lipolysis were completely blunted by the HSL inhibitor. When fat cells were not stimulated, glycerol but not fatty acid release was inhibited. HSL and ATGL mRNA levels increased concomitantly during adipocyte differentiation. Abundance of the two transcripts in human adipose tissue was highly correlated in habitual dietary conditions and during a hypocaloric diet, suggesting common regulatory mechanisms for the two genes. Comparison of obese and nonobese subjects showed that obesity was associated with a decrease in catecholamine-induced lipolysis and HSL expression in mature fat cells and in differentiated preadipocytes. In conclusion, HSL is the major lipase for catecholamine- and natriuretic peptide–stimulated lipolysis, whereas ATGL mediates the hydrolysis of triglycerides during basal lipolysis. Decreased catecholamine-induced lipolysis and low HSL expression constitute a possibly primary defect in obesity.

Lipid turnover is an important factor in determining how adipose tissue stores and releases energy in humans. By measuring carbon-14, derived from nuclear bomb tests, in the fat-cell lipids of a large cohort of individuals, Arner et al. estimate lipid turnover over a prolonged period in sickness and in health. The data show that during the ten-year lifespan of a typical human adipocyte, its triglyceride content is renewed six times. Unusual lipid turnover patterns correlate to conditions with disturbed lipid metabolism, suggesting it as a potential target for the treatment of metabolic disease. Adipose tissue mass is determined by the storage and removal of triglycerides in adipocytes1. Little is known, however, about adipose lipid turnover in humans in health and pathology. To study this in vivo, here we determined lipid age by measuring 14C derived from above ground nuclear bomb tests in adipocyte lipids. We report that during the average ten-year lifespan of human adipocytes, triglycerides are renewed six times. Lipid age is independent of adipocyte size, is very stable across a wide range of adult ages and does not differ between genders. Adipocyte lipid turnover, however, is strongly related to conditions with disturbed lipid metabolism. In obesity, triglyceride removal rate (lipolysis followed by oxidation) is decreased and the amount of triglycerides stored each year is increased. In contrast, both lipid removal and storage rates are decreased in non-obese patients diagnosed with the most common hereditary form of dyslipidaemia, familial combined hyperlipidaemia. Lipid removal rate is positively correlated with the capacity of adipocytes to break down triglycerides, as assessed through lipolysis, and is inversely related to insulin resistance. Our data support a mechanism in which adipocyte lipid storage and removal have different roles in health and pathology. High storage but low triglyceride removal promotes fat tissue accumulation and obesity. Reduction of both triglyceride storage and removal decreases lipid shunting through adipose tissue and thus promotes dyslipidaemia. We identify adipocyte lipid turnover as a novel target for prevention and treatment of metabolic disease.

In obesity, white adipose tissue (WAT) inflammation is linked to insulin resistance. Increased adipocyte chemokine (C-C motif) ligand 2 (CCL2) secretion may initiate adipose inflammation by attracting the migration of inflammatory cells into the tissue. Using an unbiased approach, we identified adipose microRNAs (miRNAs) that are dysregulated in human obesity and assessed their possible role in controlling CCL2 production. In subcutaneous WAT obtained from 56 subjects, 11 miRNAs were present in all subjects and downregulated in obesity. Of these, 10 affected adipocyte CCL2 secretion in vitro and for 2 miRNAs (miR-126 and miR-193b), regulatory circuits were defined. While miR-126 bound directly to the 3′-untranslated region of CCL2 mRNA, miR-193b regulated CCL2 production indirectly through a network of transcription factors, many of which have been identified in other inflammatory conditions. In addition, overexpression of miR-193b and miR-126 in a human monocyte/macrophage cell line attenuated CCL2 production. The levels of the two miRNAs in subcutaneous WAT were significantly associated with CCL2 secretion (miR-193b) and expression of integrin, α-X, an inflammatory macrophage marker (miR-193b and miR-126). Taken together, our data suggest that miRNAs may be important regulators of adipose inflammation through their effects on CCL2 release from human adipocytes and macrophages.

Summary Circadian rhythms are generated by an auto-regulatory feedback loop composed of transcriptional activators and repressors. Disruption of circadian rhythms contributes to Type 2 diabetes (T2D) pathogenesis. We elucidated whether altered circadian rhythmicity of clock genes is associated with metabolic dysfunction in T2D. Transcriptional cycling of core clock genes ARNTL, CLOCK , CRY1 and NR1D1 was altered in skeletal muscle from individuals with T2D and this was coupled with reduced number and amplitude of cycling genes and disturbed circadian oxygen consumption. Mitochondrial associated genes were enriched for differential circadian amplitudes in T2D, and positively correlated with insulin sensitivity. ChIP- sequencing identified CLOCK and BMAL1 binding to circadian mitochondrial genes associated with insulin sensitivity, implicating regulation by the core clock. Mitochondria disruption altered core-clock gene expression and free-radical production, phenomena that were restored by resveratrol treatment. We identify bi-directional communication between mitochondrial function and rhythmic gene expression, processes which are disturbed in diabetes.

SUMMARY White adipocytes function as the major energy reservoir in humans by storing substantial amounts of triglycerides and their dysfunction is associated with metabolic disorders. However, the mechanisms underlying cellular specialization during adipogenesis remain unknown. Here, using a high-sensitivity-high throughput workflow, we generated a spatiotemporal proteomic atlas of human adipogenesis encompassing information for ~8.000 proteins. Our systematic approach gives insights into cellular remodeling and the spatial reorganization of metabolic pathways to optimize cells for lipid accumulation and highlights the coordinated regulation of protein localization and abundance during adipogenesis. More specifically, we identified a compartment-specific regulation of protein levels and localization changes of metabolic enzymes to reprogram branched chain amino acid and one-carbon metabolism to provide building blocks and reduction equivalents for lipid synthesis. Additionally, we identified C19orf12 as a differentiation induced and adipocyte-specific lipid droplet (LD) protein, which interacts with the translocase of the outer membrane (TOM) complex of LD associated mitochondria and regulates adipocyte lipid storage. Overall, our study provides a comprehensive resource for understanding human adipogenesis and for future discoveries in the field. KEY POINTS Human adipogenesis induces distinct temporal changes in protein abundance 20% of all detected proteins change organellar localization during adipogenesis BCAA and one-carbon metabolism enzyme levels and localizations are coordinately regulated to promote adipogenesis C19orf12 is an adipocyte specific LD protein and regulator of lipid storage

Abstract Glutamine and glutamate are interconverted by several enzymes and alterations in this metabolic cycle are linked to cardiometabolic traits. Herein, we show that obesity-associated insulin resistance is characterized by decreased plasma and white adipose tissue glutamine-to-glutamate ratios. We couple these stoichiometric changes to perturbed fat cell glutaminase and glutamine synthase messenger RNA and protein abundance, which together promote glutaminolysis. In human white adipocytes, reductions in glutaminase activity promote aerobic glycolysis and mitochondrial oxidative capacity via increases in hypoxia-inducible factor 1α abundance, lactate levels and p38 mitogen-activated protein kinase signalling. Systemic glutaminase inhibition in male and female mice, or genetically in adipocytes of male mice, triggers the activation of thermogenic gene programs in inguinal adipocytes. Consequently, the knockout mice display higher energy expenditure and improved glucose tolerance compared to control littermates, even under high-fat diet conditions. Altogether, our findings highlight white adipocyte glutamine turnover as an important determinant of energy expenditure and metabolic health.