Hypothalamic neurons that express neuropeptide Y (NPY) and agouti-related protein (AgRP) are thought to be critical regulators of feeding behavior and body weight. To determine whether NPY/AgRP neurons are essential in mice, we targeted the human diphtheria toxin receptor to the Agrp locus, which allows temporally controlled ablation of NPY/AgRP neurons to occur after an injection of diphtheria toxin. Neonatal ablation of NPY/AgRP neurons had minimal effects on feeding, whereas their ablation in adults caused rapid starvation. These results suggest that network-based compensatory mechanisms can develop after the ablation of NPY/AgRP neurons in neonates but do not readily occur when these neurons become essential in adults.

Hepatic steatosis is present in insulin-resistant obese rodents and is concomitant with active lipogenesis. Hepatic lipogenesis depends on the insulin-induced activation of the transcription factor SREBP-1c. Despite prevailing insulin resistance, SREBP-1c is activated in the livers of genetically and diet-induced obese rodents. Recent studies have reported the presence of an ER stress response in the livers of obese ob/ob mice. To assess whether ER stress promotes SREBP-1c activation and thus contributes to lipogenesis, we overexpressed the chaperone glucose-regulated protein 78 (GRP78) in the livers of ob/ob mice using an adenoviral vector. GRP78 overexpression reduced ER stress markers and inhibited SREBP-1c cleavage and the expression of SREBP-1c and SREBP-2 target genes. Furthermore, hepatic triglyceride and cholesterol contents were reduced, and insulin sensitivity improved, in GRP78-injected mice. These metabolic improvements were likely mediated by restoration of IRS-2 expression and tyrosine phosphorylation. Interestingly, GRP78 overexpression also inhibited insulin-induced SREBP-1c cleavage in cultured primary hepatocytes. These findings demonstrate that GRP78 inhibits both insulin-dependent and ER stress–dependent SREBP-1c proteolytic cleavage and explain the role of ER stress in hepatic steatosis in obese rodents.

Huntington's disease (HD) is a fatal, dominantly inherited disorder caused by polyglutamine repeat expansion in the huntingtin (htt) gene. Here, we observe that HD mice develop hypothermia associated with impaired activation of brown adipose tissue (BAT). Although sympathetic stimulation of PPARγ coactivator 1α (PGC-1α) was intact in BAT of HD mice, uncoupling protein 1 (UCP-1) induction was blunted. In cultured cells, expression of mutant htt suppressed UCP-1 promoter activity; this was reversed by PGC-1α expression. HD mice showed reduced food intake and increased energy expenditure, with dysfunctional BAT mitochondria. PGC-1α is a known regulator of mitochondrial function; here, we document reduced expression of PGC-1α target genes in HD patient and mouse striatum. Mitochondria of HD mouse brain show reduced oxygen consumption rates. Finally, HD striatal neurons expressing exogenous PGC-1α were resistant to 3-nitropropionic acid treatment. Altered PGC-1α function may thus link transcription dysregulation and mitochondrial dysfunction in HD.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear receptors exerting several functions in development and metabolism. The physiological functions of PPARdelta remain elusive. By using a CRE-Lox recombination approach, we generated an animal model for muscle-specific PPARdelta overexpression to investigate the role of PPARdelta in this tissue. Muscle-specific PPARdelta overexpression results in a profound change in fiber composition due to hyperplasia and/or shift to more oxidative fiber and, as a consequence, leads to the increase of both enzymatic activities and genes implicated in oxidative metabolism. These changes in muscle are accompanied by a reduction of body fat mass, mainly due to a large reduction of adipose cell size. Furthermore, we demonstrate that endurance exercise promotes an accumulation of PPARdelta protein in muscle of wild-type animals. Collectively, these results suggest that PPARdelta plays an important role in muscle development and adaptive response to environmental changes, such as training exercise. They strongly support the idea that activation of PPARdelta could be beneficial in prevention of metabolic disorders, such as obesity or type 2 diabetes.

Summary

 We report that astrocytic insulin signaling co-regulates hypothalamic glucose sensing and systemic glucose metabolism. Postnatal ablation of insulin receptors (IRs) in glial fibrillary acidic protein (GFAP)-expressing cells affects hypothalamic astrocyte morphology, mitochondrial function, and circuit connectivity. Accordingly, astrocytic IR ablation reduces glucose-induced activation of hypothalamic pro-opio-melanocortin (POMC) neurons and impairs physiological responses to changes in glucose availability. Hypothalamus-specific knockout of astrocytic IRs, as well as postnatal ablation by targeting glutamate aspartate transporter (GLAST)-expressing cells, replicates such alterations. A normal response to altering directly CNS glucose levels in mice lacking astrocytic IRs indicates a role in glucose transport across the blood-brain barrier (BBB). This was confirmed in vivo in GFAP-IR KO mice by using positron emission tomography and glucose monitoring in cerebral spinal fluid. We conclude that insulin signaling in hypothalamic astrocytes co-controls CNS glucose sensing and systemic glucose metabolism via regulation of glucose uptake across the BBB.

The delivery of blood-borne molecules conveying metabolic information to neural networks that regulate energy homeostasis is restricted by brain barriers. The fenestrated endothelium of median eminence microvessels and tight junctions between tanycytes together compose one of these. Here, we show that the decrease in blood glucose levels during fasting alters the structural organization of this blood-hypothalamus barrier, resulting in the improved access of metabolic substrates to the arcuate nucleus. These changes are mimicked by 2-deoxyglucose-induced glucoprivation and reversed by raising blood glucose levels after fasting. Furthermore, we show that VEGF-A expression in tanycytes modulates these barrier properties. The neutralization of VEGF signaling blocks fasting-induced barrier remodeling and significantly impairs the physiological response to refeeding. These results implicate glucose in the control of blood-hypothalamus exchanges through a VEGF-dependent mechanism and demonstrate a hitherto unappreciated role for tanycytes and the permeable microvessels associated with them in the adaptive metabolic response to fasting.

Abstract Obesity is associated with a cluster of metabolic disorders, low-grade inflammation and altered gut microbiota. Whether host metabolism is controlled by intestinal innate immune system and the gut microbiota is unknown. Here we report that inducible intestinal epithelial cell-specific deletion of MyD88 partially protects against diet-induced obesity, diabetes and inflammation. This is associated with increased energy expenditure, an improved glucose homeostasis, reduced hepatic steatosis, fat mass and inflammation. Protection is transferred following gut microbiota transplantation to germ-free recipients. We also demonstrate that intestinal epithelial MyD88 deletion increases anti-inflammatory endocannabinoids, restores antimicrobial peptides production and increases intestinal regulatory T cells during diet-induced obesity. Targeting MyD88 after the onset of obesity reduces fat mass and inflammation. Our work thus identifies intestinal epithelial MyD88 as a sensor changing host metabolism according to the nutritional status and we show that targeting intestinal epithelial MyD88 constitutes a putative therapeutic target for obesity and related disorders.

The vagus nerve serves as an interoceptive relay between the body and the brain. Despite its well-established role in feeding behaviors, energy metabolism, and cognitive functions, the intricate functional processes linking the vagus nerve to the hippocampus and its contribution to learning and memory dynamics remain still elusive. Here, we investigated whether and how the gut-brain vagal axis contributes to hippocampal learning and memory processes at behavioral, functional, cellular, and molecular levels. Our results indicate that the integrity of the vagal axis is essential for long-term recognition memories, while sparing other forms of memory. In addition, by combing multi-scale approaches, our findings show that the gut-brain vagal tone exerts a permissive role in scaling intracellular signaling events, gene expressions, hippocampal dendritic spines density as well as functional long-term plasticities (LTD and LTP). These results highlight the critical role of the gut-brain vagal axis in maintaining the spontaneous and homeostatic functions of hippocampal ensembles and in regulating their learning and memory functions. In conclusion, our study provides comprehensive insights into the multifaceted involvement of the gut-brain vagal axis in shaping time-dependent hippocampal learning and memory dynamics. Understanding the mechanisms underlying this interoceptive body-brain neuronal communication may pave the way for novel therapeutic approaches in conditions associated with cognitive decline, including neurodegenerative disorders.

Abstract Significant evidence highlights the importance of genetic variants in the development of psychiatric and metabolic conditions. Among these, the Taq1A polymorphism is one of the most commonly studied in psychiatry. TaqIA is located in the gene that codes for the Ankyrin repeat and kinase domain containing 1 kinase (ANKK1) near the dopamine D2 dopamine receptor (DR2) gene. Depending on race it affects 30 to 80% of the population and its homozygous expression of the A1 allele correlates with a 30 to 40% reduction of striatal DR2, a typical feature of addiction, over-eating and other psychiatric pathologies. The mechanisms by which the variant influences dopamine signaling and behavior is unknown. Here we used transgenic and viral-mediated strategies to reveal the role of ANKK1 in the regulation of activity and functions of the striatum. We found that Ankk1 is preferentially enriched in striatal DR2 expressing neurons and that Ankk1 loss-of-function in dorsal and ventral striatum leads to alteration in learning, impulsive, and flexible behaviors resembling the endophenotypes described in A1 carriers. We also observed an unsuspected role of ANKK1 in striatal DR2-expressing neurons in the ventral striatum in the regulation of energy homeostasis and documented differential nutrient partitioning in humans with versus without the A1 allele. Overall, our data demonstrate that the Ankk1 gene is necessary for the integrity of striatal functions and reveal a new role for ANKK1 in the regulation of body metabolism.