Abstract TFEB promotes lysosomal biogenesis, autophagy, and lysosomal exocytosis. The present study characterized the consequence of inducible TFEB overexpression in cardiomyocytes in vivo. We generated cardiomyocyte-specific doxycycline inducible (Tet off) mice to achieve spatial and temporal control of TFEB overexpression, by crossing TFEB transgenic mice with mice harboring the tTA transgene (TFEB/tTA). Two weeks after doxycycline removal, an 8-fold increase in TFEB protein expression was observed in transgenic hearts. Heart weight normalized to tibia length was increased by 2.5-fold following TFEB overexpression (TFEB/tTA), characterized by induction of markers of pathological hypertrophy, such as Nppa, Nppb and Acta1 , progressive contractile dysfunction and cardiac dilatation. Overexpression of TFEB resulted in premature death, associated with high degree AV block. Reversal of TFEB overexpression normalized cardiac structure and function. Mitochondrial respiration and ATP levels were preserved after 2-weeks of TFEB induction, despite reduced mitochondrial (OXPHOS) protein expression, mtDNA content, and altered mitochondrial morphology. Signaling through mTOR was induced in TFEB/tTA mice, and when inhibited by rapamycin treatment for 4 weeks, partially offset left ventricular dysfunction. Transcriptome analysis revealed early suppression of mitochondrial metabolic pathways, induction of fibrosis and altered calcium signaling. MCOLN1, a lysosomal calcium release channel, the calcineurin target RCAN1.4, and the mitochondrial calcium uniporter (MCU) were strikingly induced in TFEB/tTA mice. In summary, persistent overexpression of TFEB at high levels (8-fold protein upregulation) in cardiomyocytes promotes pathologic cardiac hypertrophy via suppression of mitochondrial bioenergetic pathways and activation of pro-fibrotic and calcium regulatory pathways.

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.