Background: The liver, once fatty, overproduces components of the metabolic syndrome, such as glucose and lipids. The amount of liver fat in subjects with and without the metabolic syndrome has not been determined. It is unknown which clinically available markers best reflect liver fat content.

Both genetic and environmental factors are involved in the etiology of obesity and the associated lipid disturbances. We determined whether acquired obesity is associated with changes in global serum lipid profiles independent of genetic factors in young adult monozygotic (MZ) twins. 14 healthy MZ pairs discordant for obesity (10 to 25 kg weight difference) and ten weight concordant control pairs aged 24–27 years were identified from a large population-based study. Insulin sensitivity was assessed by the euglycemic clamp technique, and body composition by DEXA (% body fat) and by MRI (subcutaneous and intra-abdominal fat). Global characterization of lipid molecular species in serum was performed by a lipidomics strategy using liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Obesity, independent of genetic influences, was primarily related to increases in lysophosphatidylcholines, lipids found in proinflammatory and proatherogenic conditions and to decreases in ether phospholipids, which are known to have antioxidant properties. These lipid changes were associated with insulin resistance, a pathogonomic characteristic of acquired obesity in these young adult twins. Our results show that obesity, already in its early stages and independent of genetic influences, is associated with deleterious alterations in the lipid metabolism known to facilitate atherogenesis, inflammation and insulin resistance.

Background Muscle biopsy is the gold standard for diagnosis of mitochondrial disorders because of the lack of sensitive biomarkers in serum. Fibroblast growth factor 21 (FGF-21) is a growth factor with regulatory roles in lipid metabolism and the starvation response, and concentrations are raised in skeletal muscle and serum in mice with mitochondrial respiratory chain deficiencies. We investigated in a retrospective diagnostic study whether FGF-21 could be a biomarker for human mitochondrial disorders. Methods We assessed samples from adults and children with mitochondrial disorders or non-mitochondrial neurological disorders (disease controls) from seven study centres in Europe and the USA, and recruited healthy volunteers (healthy controls), matched for age where possible, from the same centres. We used ELISA to measure FGF-21 concentrations in serum or plasma samples (abnormal values were defined as >200 pg/mL). We compared these concentrations with values for lactate, pyruvate, lactate-to-pyruvate ratio, and creatine kinase in serum or plasma and calculated sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values for all biomarkers. Findings We analysed serum or plasma from 67 patients (41 adults and 26 children) with mitochondrial disorders, 34 disease controls (22 adults and 12 children), and 74 healthy controls. Mean FGF-21 concentrations in serum were 820 (SD 1151) pg/mL in adult and 1983 (1550) pg/mL in child patients with respiratory chain deficiencies and 76 (58) pg/mL in healthy controls. FGF-21 concentrations were high in patients with mitochondrial disorders affecting skeletal muscle but not in disease controls, including those with dystrophies. In patients with abnormal FGF-21 concentrations in serum, the odds ratio of having a muscle-manifesting mitochondrial disease was 132·0 (95% CI 38·7–450·3). For the identification of muscle-manifesting mitochondrial disease, the sensitivity was 92·3% (95% CI 81·5–97·9%) and specificity was 91·7% (84·8–96·1%). The positive and negative predictive values for FGF-21 were 84·2% (95% CI 72·1–92·5%) and 96·1 (90·4–98·9%). The accuracy of FGF-21 to correctly identify muscle-manifesting respiratory chain disorders was better than that for all conventional biomarkers. The area under the receiver-operating-characteristic curve for FGF-21 was 0·95; by comparison, the values for other biomarkers were 0·83 lactate (p=0·037, 0·83 for pyruvate (p=0·015), 0·72 for the lactate-to-pyruvate ratio (p=0·0002), and 0·77 for creatine kinase (p=0·013). Interpretation Measurement of FGF-21 concentrations in serum identified primary muscle-manifesting respiratory chain deficiencies in adults and children and might be feasible as a first-line diagnostic test for these disorders to reduce the need for muscle biopsy. Funding Sigrid Jusélius Foundation, Jane and Aatos Erkko Foundation, Molecular Medicine Institute of Finland, University of Helsinki, Helsinki University Central Hospital, Academy of Finland, Novo Nordisk, Arvo and Lea Ylppö Foundation.

A carbohydrate-restricted diet is a widely recommended intervention for non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), but a systematic perspective on the multiple benefits of this diet is lacking. Here, we performed a short-term intervention with an isocaloric low-carbohydrate diet with increased protein content in obese subjects with NAFLD and characterized the resulting alterations in metabolism and the gut microbiota using a multi-omics approach. We observed rapid and dramatic reductions of liver fat and other cardiometabolic risk factors paralleled by (1) marked decreases in hepatic de novo lipogenesis; (2) large increases in serum β-hydroxybutyrate concentrations, reflecting increased mitochondrial β-oxidation; and (3) rapid increases in folate-producing Streptococcus and serum folate concentrations. Liver transcriptomic analysis on biopsy samples from a second cohort revealed downregulation of the fatty acid synthesis pathway and upregulation of folate-mediated one-carbon metabolism and fatty acid oxidation pathways. Our results highlight the potential of exploring diet-microbiota interactions for treating NAFLD.

To investigate whether bacterial lipopolysaccharide (LPS) activity in human serum is associated with the components of the metabolic syndrome (MetS) in type 1 diabetic patients with various degrees of kidney disease and patients with IgA glomerulonephritis (IgAGN).Serum LPS activity was determined with the Limulus Amoebocyte Lysate chromogenic end point assay in type 1 diabetic patients with a normal albumin excretion rate (n = 587), microalbuminuria (n = 144), macroalbuminuria (n = 173); patients with IgAGN (n = 98); and in nondiabetic control subjects (n = 345). The relationships of the LPS/HDL ratio and MetS-associated variables were evaluated with Pearson correlation.The MetS was more prevalent in type 1 diabetic patients (48%) than in patients with IgAGN (15%). Diabetic patients with macroalbuminuria had a significantly higher serum LPS/HDL ratio than patients with IgAGN. In the normoalbuminuric type 1 diabetic group, patients in the highest LPS/HDL quartile were diagnosed as having the MetS three times more frequently than patients in the lowest quartile (69 vs. 22%; P < 0.001). High LPS activity was associated with higher serum triglyceride concentration, earlier onset of diabetes, increased diastolic blood pressure, and elevated urinary excretion of monocyte chemoattractant protein-1.High serum LPS activity is strongly associated with the components of the MetS. Diabetic patients with kidney disease seem to be more susceptible to metabolic endotoxemia than patients with IgAGN. Bacterial endotoxins may thus play an important role in the development of the metabolic and vascular abnormalities commonly seen in obesity and diabetes-related diseases.

Objective: Physical activity (PA) begins to decline in adolescence with a concomitant increase in weight. We hypothesized that a vicious circle may arise between decreasing PA and weight gain from adolescence to early adulthood. Methods and Procedures: PA and self‐perceived physical fitness assessed in adolescents (16–18 years of age) were used to predict the development of obesity (BMI ≥30 kg/m 2 ) and abdominal obesity (waist ≥88 cm in females and ≥102 cm in males) at age 25 in 4,240 twin individuals (90% of twins born in Finland, 1975–1979). Ten 25‐year‐old monozygotic (MZ) twin pairs who were discordant for obesity (with a 16 kg weight difference) were then carefully evaluated for current PA (using a triaxial accelerometer), total energy expenditure (TEE, assessed by means of the doubly labeled water (DLW) method), and basal metabolic rate (BMR, assessed by indirect calorimetry). Results: Physical inactivity in adolescence strongly predicted the risk for obesity (odds ratio (OR) 3.9, 95% confidence interval (CI) 1.4–10.9) and abdominal obesity (4.8, 1.9–12.0) at age 25, even after adjusting for baseline and current BMI. Poor physical fitness in adolescence also increased the risk for overall obesity (5.1, 2.0–12.7) and abdominal obesity (3.2, 1.5–6.7) in adulthood. Physical inactivity was both causative and secondary to the development of obesity discordance in the MZ pairs. TEE did not differ between the MZ co‐twins. PA was lower whereas BMR was higher in the obese co‐twins. Discussion: Physical inactivity in adolescence strongly and independently predicts total (and especially) abdominal obesity in young adulthood, favoring the development of a self‐perpetuating vicious circle of obesity and physical inactivity. Physical activity should therefore be seriously recommended for obesity prevention in the young.

Total daily energy expenditure ("total expenditure") reflects daily energy needs and is a critical variable in human health and physiology, but its trajectory over the life course is poorly studied. We analyzed a large, diverse database of total expenditure measured by the doubly labeled water method for males and females aged 8 days to 95 years. Total expenditure increased with fat-free mass in a power-law manner, with four distinct life stages. Fat-free mass-adjusted expenditure accelerates rapidly in neonates to ~50% above adult values at ~1 year; declines slowly to adult levels by ~20 years; remains stable in adulthood (20 to 60 years), even during pregnancy; then declines in older adults. These changes shed light on human development and aging and should help shape nutrition and health strategies across the life span.

Background The acquired component of complex traits is difficult to dissect in humans. Obesity represents such a trait, in which the metabolic and molecular consequences emerge from complex interactions of genes and environment. With the substantial morbidity associated with obesity, a deeper understanding of the concurrent metabolic changes is of considerable importance. The goal of this study was to investigate this important acquired component and expose obesity-induced changes in biological pathways in an identical genetic background. Methods and Findings We used a special study design of "clonal controls," rare monozygotic twins discordant for obesity identified through a national registry of 2,453 young, healthy twin pairs. A total of 14 pairs were studied (eight male, six female; white), with a mean ± standard deviation (SD) age 25.8 ± 1.4 y and a body mass index (BMI) difference 5.2 ± 1.8 kg/m2. Sequence analyses of mitochondrial DNA (mtDNA) in subcutaneous fat and peripheral leukocytes revealed no aberrant heteroplasmy between the co-twins. However, mtDNA copy number was reduced by 47% in the obese co-twin's fat. In addition, novel pathway analyses of the adipose tissue transcription profiles exposed significant down-regulation of mitochondrial branched-chain amino acid (BCAA) catabolism (p < 0.0001). In line with this finding, serum levels of insulin secretion-enhancing BCAAs were increased in obese male co-twins (9% increase, p = 0.025). Lending clinical relevance to the findings, in both sexes the observed aberrations in mitochondrial amino acid metabolism pathways in fat correlated closely with liver fat accumulation, insulin resistance, and hyperinsulinemia, early aberrations of acquired obesity in these healthy young adults. Conclusions Our findings emphasize a substantial role of mitochondrial energy- and amino acid metabolism in obesity and development of insulin resistance.

Abstract We present Bisque, a tool for estimating cell type proportions in bulk expression. Bisque implements a regression-based approach that utilizes single-cell RNA-seq (scRNA-seq) or single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) data to generate a reference expression profile and learn gene-specific bulk expression transformations to robustly decompose RNA-seq data. These transformations significantly improve decomposition performance compared to existing methods when there is significant technical variation in the generation of the reference profile and observed bulk expression. Importantly, compared to existing methods, our approach is extremely efficient, making it suitable for the analysis of large genomic datasets that are becoming ubiquitous. When applied to subcutaneous adipose and dorsolateral prefrontal cortex expression datasets with both bulk RNA-seq and snRNA-seq data, Bisque replicates previously reported associations between cell type proportions and measured phenotypes across abundant and rare cell types. We further propose an additional mode of operation that merely requires a set of known marker genes.

Background Increased adiposity is linked with higher risk for cardiometabolic diseases. We aimed to determine to what extent elevated body mass index (BMI) within the normal weight range has causal effects on the detailed systemic metabolite profile in early adulthood. Methods and Findings We used Mendelian randomization to estimate causal effects of BMI on 82 metabolic measures in 12,664 adolescents and young adults from four population-based cohorts in Finland (mean age 26 y, range 16–39 y; 51% women; mean ± standard deviation BMI 24±4 kg/m2). Circulating metabolites were quantified by high-throughput nuclear magnetic resonance metabolomics and biochemical assays. In cross-sectional analyses, elevated BMI was adversely associated with cardiometabolic risk markers throughout the systemic metabolite profile, including lipoprotein subclasses, fatty acid composition, amino acids, inflammatory markers, and various hormones (p<0.0005 for 68 measures). Metabolite associations with BMI were generally stronger for men than for women (median 136%, interquartile range 125%–183%). A gene score for predisposition to elevated BMI, composed of 32 established genetic correlates, was used as the instrument to assess causality. Causal effects of elevated BMI closely matched observational estimates (correspondence 87%±3%; R2 = 0.89), suggesting causative influences of adiposity on the levels of numerous metabolites (p<0.0005 for 24 measures), including lipoprotein lipid subclasses and particle size, branched-chain and aromatic amino acids, and inflammation-related glycoprotein acetyls. Causal analyses of certain metabolites and potential sex differences warrant stronger statistical power. Metabolite changes associated with change in BMI during 6 y of follow-up were examined for 1,488 individuals. Change in BMI was accompanied by widespread metabolite changes, which had an association pattern similar to that of the cross-sectional observations, yet with greater metabolic effects (correspondence 160%±2%; R2 = 0.92). Conclusions Mendelian randomization indicates causal adverse effects of increased adiposity with multiple cardiometabolic risk markers across the metabolite profile in adolescents and young adults within the non-obese weight range. Consistent with the causal influences of adiposity, weight changes were paralleled by extensive metabolic changes, suggesting a broadly modifiable systemic metabolite profile in early adulthood. Please see later in the article for the Editors' Summary