Abstract In brown adipose tissue (BAT), short-term cold exposure induces the activating transcription factor 4 (ATF4), and its downstream target fibroblast growth factor 21 (FGF21). Induction of ATF4 in BAT in response to mitochondrial stress is required for thermoregulation, partially via upregulation of FGF21. In the present study, we tested the hypothesis that Atf4 and Fgf21 induction in BAT are both required for BAT thermogenesis by generating mice selectively lacking either Atf4 ( ATF4 BKO ) or Fgf21 (FGF21 BKO) in UCP1-expressing adipocytes. After 3 days of cold exposure, core body temperature was significantly reduced in ad-libitum -fed ATF4 BKO mice, which correlated with Fgf21 downregulation in brown and beige adipocytes, and impaired browning of white adipose tissue (WAT). Conversely, despite having reduced browning, FGF21 BKO mice had preserved core body temperature after cold exposure. Mechanistically, ATF4, but not FGF21, regulates amino acid import and metabolism in response to cold, likely contributing to BAT thermogenic capacity under ad libitum -fed conditions. Importantly, under fasting conditions, both ATF4 and FGF21 were required for thermogenesis in cold-exposed mice. Thus, ATF4 regulates BAT thermogenesis by activating amino acid metabolism in BAT in a FGF21-independent manner. Graphical Abstract

Abstract Previously we showed that mice lacking the protein optic atrophy 1 (OPA1 BKO) in brown adipose tissue (BAT) have induction of the activating transcription factor 4 (ATF4), which promotes fibroblast growth factor 21 (FGF21) secretion as a batokine. FGF21 increases metabolic rates at baseline conditions but is dispensable for the resistance to diet-induced obesity (DIO) reported in OPA1 BKO mice [1]. To determine alternative mediators of this phenotype, we performed transcriptome analysis, which revealed increased levels of growth differentiation factor 15 (GDF15) in BAT. To determine if ATF4 induction was mediated by the protein kinase R (PKR)-like endoplasmic reticulum kinase (PERK), and to evaluate the contribution of GDF15 to the resistance to DIO, we selectively deleted PERK or GDF15 in OPA1 BKO mice. Mice lacking both OPA1 and PERK in BAT had preserved induction of ATF4. Importantly, simultaneous deletion of OPA1 and GDF15 partially reversed the resistance to diet-induced obesity and abrogated the improvements in glucose tolerance. Furthermore, GDF15 mediated cold-induced thermogenesis, likely via sympathetic activation of iWAT. Taken together, our data indicate that PERK is dispensable for ATF4 induction, but GDF15 contributes to the resistance to DIO, and is required for glucose homeostasis and thermoregulation in OPA1 BKO mice.

Abstract Adrenergic stimulation of brown adipocytes alters mitochondrial dynamics, including proteolytic processing of the mitochondrial fusion protein optic atrophy 1 (OPA1). However, direct mechanisms linking OPA1 to brown adipose tissue (BAT) physiology are incompletely understood. By deleting OPA1 selectively in BAT (OPA1 BAT KO), we demonstrate that OPA1 is required for cold-induced thermogenesis. Unexpectedly, OPA1 deficiency induced fibroblast growth factor 21 (FGF21) as a BATokine in an activating transcription factor 4 (ATF4)- dependent manner. BAT-derived FGF21 mediates an adaptive response in OPA1 BAT KO mice, by inducing browning of white adipose tissue (WAT), increasing resting metabolic rates, and improving thermoregulation. However, FGF21 does not mediate the resistance to diet-induced obesity observed in these animals. These findings reveal a requirement for OPA1 in BAT thermogenesis, and uncovers a homeostatic mechanism of BAT-mediated metabolic protection governed by an ATF4-FGF21 axis, that is activated independently of BAT thermogenic function.