The YAP transcription coactivator has been implicated as an oncogene and is amplified in human cancers. Recent studies have established that YAP is phosphorylated and inhibited by the Hippo tumor suppressor pathway. Here we demonstrate that the TEAD family transcription factors are essential in mediating YAP-dependent gene expression. TEAD is also required for YAP-induced cell growth, oncogenic transformation, and epithelial-mesenchymal transition. CTGF is identified as a direct YAP target gene important for cell growth. Moreover, the functional relationship between YAP and TEAD is conserved in Drosophila Yki (the YAP homolog) and Scalloped (the TEAD homolog). Our study reveals TEAD as a new component in the Hippo pathway playing essential roles in mediating biological functions of YAP.

PGC-1α is a coactivator of nuclear receptors and other transcription factors that regulates several metabolic processes, including mitochondrial biogenesis and respiration, hepatic gluconeogenesis, and muscle fiber-type switching. We show here that, while hepatocytes lacking PGC-1α are defective in the program of hormone-stimulated gluconeogenesis, the mice have constitutively activated gluconeogenic gene expression that is completely insensitive to normal feeding controls. C/EBPβ is elevated in the livers of these mice and activates the gluconeogenic genes in a PGC-1α-independent manner. Despite having reduced mitochondrial function, PGC-1α null mice are paradoxically lean and resistant to diet-induced obesity. This is largely due to a profound hyperactivity displayed by the null animals and is associated with lesions in the striatal region of the brain that controls movement. These data illustrate a central role for PGC-1α in the control of energy metabolism but also reveal novel systemic compensatory mechanisms and pathogenic effects of impaired energy homeostasis.

Exercise can improve cognitive function and has been linked to the increased expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF). However, the underlying molecular mechanisms driving the elevation of this neurotrophin remain unknown. Here we show that FNDC5, a previously identified muscle protein that is induced in exercise and is cleaved and secreted as irisin, is also elevated by endurance exercise in the hippocampus of mice. Neuronal Fndc5 gene expression is regulated by PGC-1α, and Pgc1a(-/-) mice show reduced Fndc5 expression in the brain. Forced expression of FNDC5 in primary cortical neurons increases Bdnf expression, whereas RNAi-mediated knockdown of FNDC5 reduces Bdnf. Importantly, peripheral delivery of FNDC5 to the liver via adenoviral vectors, resulting in elevated blood irisin, induces expression of Bdnf and other neuroprotective genes in the hippocampus. Taken together, our findings link endurance exercise and the important metabolic mediators, PGC-1α and FNDC5, with BDNF expression in the brain.

Maintaining muscle size and fiber composition requires contractile activity. Increased activity stimulates expression of the transcriptional coactivator PGC-1alpha (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1alpha), which promotes fiber-type switching from glycolytic toward more oxidative fibers. In response to disuse or denervation, but also in fasting and many systemic diseases, muscles undergo marked atrophy through a common set of transcriptional changes. FoxO family transcription factors play a critical role in this loss of cell protein, and when activated, FoxO3 causes expression of the atrophy-related ubiquitin ligases atrogin-1 and MuRF-1 and profound loss of muscle mass. To understand how exercise might retard muscle atrophy, we investigated the possible interplay between PGC-1alpha and the FoxO family in regulation of muscle size. Rodent muscles showed a large decrease in PGC-1alpha mRNA during atrophy induced by denervation as well as by cancer cachexia, diabetes, and renal failure. Furthermore, in transgenic mice overexpressing PGC-1alpha, denervation and fasting caused a much smaller decrease in muscle fiber diameter and a smaller induction of atrogin-1 and MuRF-1 than in control mice. Increased expression of PGC-1alpha also increased mRNA for several genes involved in energy metabolism whose expression decreases during atrophy. Transfection of PGC-1alpha into adult fibers reduced the capacity of FoxO3 to cause fiber atrophy and to bind to and transcribe from the atrogin-1 promoter. Thus, the high levels of PGC-1alpha in dark and exercising muscles can explain their resistance to atrophy, and the rapid fall in PGC-1alpha during atrophy should enhance the FoxO-dependent loss of muscle mass.

Abstract

 Cachexia is a chronic state of negative energy balance and muscle wasting that is a severe complication of cancer and chronic infection. While cytokines such as IL-1α, IL-1β, and TNFα can mediate cachectic states, how these molecules affect energy expenditure is unknown. We show here that many cytokines activate the transcriptional PPAR gamma coactivator-1 (PGC-1) through phosphorylation by p38 kinase, resulting in stabilization and activation of PGC-1 protein. Cytokine or lipopolysaccharide (LPS)-induced activation of PGC-1 in cultured muscle cells or muscle in vivo causes increased respiration and expression of genes linked to mitochondrial uncoupling and energy expenditure. These data illustrate a direct thermogenic action of cytokines and p38 MAP kinase through the transcriptional coactivator PGC-1.

Skeletal muscle adapts to chronic physical activity by inducing mitochondrial biogenesis and switching proportions of muscle fibers from type II to type I. Several major factors involved in this process have been identified, such as the calcium/calmodulin-dependent protein kinase IV (CaMKIV), calcineurin A (CnA), and the transcriptional component peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α (PGC-1α). Transgenic expression of PGC-1α recently has been shown to dramatically increase the content of type I muscle fibers in skeletal muscle, but the relationship between PGC-1α expression and the key components in calcium signaling is not clear. In this report, we show that the PGC-1α promoter is regulated by both CaMKIV and CnA activity. CaMKIV activates PGC-1α largely through the binding of cAMP response element-binding protein to the PGC-1α promoter. Moreover, we show that a positive feedback loop exists between PGC-1α and members of the myocyte enhancer factor 2 (MEF2) family of transcription factors. MEF2s bind to the PGC-1α promoter and activate it, predominantly when coactivated by PGC-1α. MEF2 activity is stimulated further by CnA signaling. These findings imply a unified pathway, integrating key regulators of calcium signaling with the transcriptional switch PGC-1α. Furthermore, these data suggest an autofeedback loop whereby the calcium-signaling pathway may result in a stable induction of PGC-1α, contributing to the relatively stable nature of muscle fiber-type determination.

Summary

 Skeletal and cardiac muscle depend on high turnover of ATP made by mitochondria in order to contract efficiently. The transcriptional coactivator PGC-1α has been shown to function as a major regulator of mitochondrial biogenesis and respiration in both skeletal and cardiac muscle, but this has been based only on gain-of-function studies. Using genetic knockout mice, we show here that, while PGC-1α KO mice appear to retain normal mitochondrial volume in both muscle beds, expression of genes of oxidative phosphorylation is markedly blunted. Hearts from these mice have reduced mitochondrial enzymatic activities and decreased levels of ATP. Importantly, isolated hearts lacking PGC-1α have a diminished ability to increase work output in response to chemical or electrical stimulation. As mice lacking PGC-1α age, cardiac dysfunction becomes evident in vivo. These data indicate that PGC-1α is vital for the heart to meet increased demands for ATP and work in response to physiological stimuli.

The mammalian clock regulates major aspects of energy metabolism, including glucose and lipid homeostasis and mitochondrial oxidative metabolism. The biochemical basis for coordinated control of the circadian clock and diverse metabolic pathways is not well understood. Here we show that PGC-1alpha (Ppargc1a), a transcriptional coactivator that regulates energy metabolism, is rhythmically expressed in the liver and skeletal muscle of mice. PGC-1alpha stimulates the expression of clock genes, notably Bmal1 (Arntl) and Rev-erbalpha (Nr1d1), through coactivation of the ROR family of orphan nuclear receptors. Mice lacking PGC-1alpha show abnormal diurnal rhythms of activity, body temperature and metabolic rate. The disruption of physiological rhythms in these animals is correlated with aberrant expression of clock genes and those involved in energy metabolism. Analyses of PGC-1alpha-deficient fibroblasts and mice with liver-specific knockdown of PGC-1alpha indicate that it is required for cell-autonomous clock function. We have thus identified PGC-1alpha as a key component of the circadian oscillator that integrates the mammalian clock and energy metabolism.