Abstract Mammals withstand frequent and prolonged fasting periods due to hepatic production of ketone bodies. Because the fasting response is transcriptionally-regulated, we asked whether enhancer dynamics impose a transcriptional program during recurrent fasting and whether this generates effects distinct from a single fasting bout. We found that mice undergoing alternate-day fasting (ADF) respond profoundly differently to a following fasting bout compared to mice first experiencing fasting. Hundreds of genes enabling ketogenesis are ‘sensitized’ (induced more strongly by fasting following ADF). Liver enhancers regulating these genes are also sensitized and harbor increased binding of PPARα, the main ketogenic transcription factor. ADF leads to augmented ketogenesis compared to a single fasting bout in wild-type, but not hepatocyte-specific PPARα-deficient mice. Thus, we found that past fasting events are ‘remembered’ in hepatocytes, sensitizing their enhancers to the next fasting bout and augment ketogenesis. Our findings shed light on transcriptional regulation mediating adaptation to repeated signals.

Transitions between the fed and fasted state are common in mammals. The liver orchestrates adaptive responses to feeding/fasting by transcriptionally regulating metabolic pathways of energy usage and storage. Transcriptional and enhancer dynamics following cessation of fasting (refeeding) have not been explored. We examined the transcriptional and chromatin events occurring upon refeeding in mice, including kinetic behavior and molecular drivers. We found that the refeeding response is temporally organized with the early response focused on ramping up protein translation while the later stages of refeeding drive a bifurcated lipid synthesis program. While both the cholesterol biosynthesis and lipogenesis pathways were inhibited during fasting, most cholesterol biosynthesis genes returned to their basal levels upon refeeding while most lipogenesis genes markedly overshoot above pre-fasting levels. Gene knockout, enhancer dynamics, and ChIP-seq analyses revealed that lipogenic gene overshoot is dictated by LXRα. These findings from unbiased analyses unravel the mechanism behind the long-known phenomenon of refeeding fat overshoot.