To identify common variants influencing body mass index (BMI), we analyzed genome-wide association data from 16,876 individuals of European descent. After previously reported variants in FTO, the strongest association signal (rs17782313, P = 2.9 × 10−6) mapped 188 kb downstream of MC4R (melanocortin-4 receptor), mutations of which are the leading cause of monogenic severe childhood-onset obesity. We confirmed the BMI association in 60,352 adults (per-allele effect = 0.05 Z-score units; P = 2.8 × 10−15) and 5,988 children aged 7–11 (0.13 Z-score units; P = 1.5 × 10−8). In case-control analyses (n = 10,583), the odds for severe childhood obesity reached 1.30 (P = 8.0 × 10−11). Furthermore, we observed overtransmission of the risk allele to obese offspring in 660 families (P (pedigree disequilibrium test average; PDT-avg) = 2.4 × 10−4). The SNP location and patterns of phenotypic associations are consistent with effects mediated through altered MC4R function. Our findings establish that common variants near MC4R influence fat mass, weight and obesity risk at the population level and reinforce the need for large-scale data integration to identify variants influencing continuous biomedical traits.

Recent studies in murine models suggest that resistin (also called Fizz3 [1]), a novel cysteine-rich protein secreted by adipocytes, may represent the long-sought link between obesity and insulin resistance (2). Furthermore, peroxisome proliferator-activated receptor-gamma (PPAR-gamma) agonists appear to inhibit resistin expression in murine adipocytes, providing a possible explanation for the mode of action of this class of insulin sensitizers (2). Using a fluorescent real-time reverse transcriptase-polymerase chain reaction-based assay, we found that resistin mRNA levels in whole adipose tissue samples were increased in morbidly obese humans compared with lean control subjects. However, in freshly isolated human adipocytes, resistin mRNA levels were very low and showed no correlation with BMI. Resistin mRNA was undetectable in preadipocytes, endothelial cells, and vascular smooth muscle cells, but it was readily detectable in circulating mononuclear cells. Although exposure of human mononuclear cells to PPAR-gamma agonists markedly upregulated fatty acid-binding protein-4 expression, these agents had no effect on mononuclear cell resistin expression. Finally, resistin mRNA was undetectable in adipocytes from a severely insulin-resistant subject with a dominant-negative mutation in PPAR-gamma (3). We conclude that the recently described relationships of murine resistin/Fizz3 expression with obesity, insulin resistance, and PPAR-gamma action may not readily translate to humans. Further studies of this novel class of proteins are needed to clarify their roles in human metabolism.

We examined the hypothesis that insulin resistance in skeletal muscle promotes the development of atherogenic dyslipidemia, associated with the metabolic syndrome, by altering the distribution pattern of postprandial energy storage. Following ingestion of two high carbohydrate mixed meals, net muscle glycogen synthesis was reduced by ≈60% in young, lean, insulin-resistant subjects compared with a similar cohort of age–weight–body mass index–activity-matched, insulin-sensitive, control subjects. In contrast, hepatic de novo lipogenesis and hepatic triglyceride synthesis were both increased by >2-fold in the insulin-resistant subjects. These changes were associated with a 60% increase in plasma triglyceride concentrations and an ≈20% reduction in plasma high-density lipoprotein concentrations but no differences in plasma concentrations of TNF-α, IL-6, adiponectin, resistin, retinol binding protein-4, or intraabdominal fat volume. These data demonstrate that insulin resistance in skeletal muscle, due to decreased muscle glycogen synthesis, can promote atherogenic dyslipidemia by changing the pattern of ingested carbohydrate away from skeletal muscle glycogen synthesis into hepatic de novo lipogenesis, resulting in an increase in plasma triglyceride concentrations and a reduction in plasma high-density lipoprotein concentrations. Furthermore, insulin resistance in these subjects was independent of changes in the plasma concentrations of TNF-α, IL-6, high-molecular-weight adiponectin, resistin, retinol binding protein-4, or intraabdominal obesity, suggesting that these factors do not play a primary role in causing insulin resistance in the early stages of the metabolic syndrome.

Adipocyte complement-related protein of 30 kDa (Acrp30, adiponectin, or AdipoQ) is a fat-derived secreted protein that circulates in plasma. Adipose tissue expression of Acrp30 is lower in insulin-resistant states and it is implicated in the regulation of in vivo insulin sensitivity. Here we have characterized the ability of PPARγ agonists to modulate Acrp30 expression. After chronic treatment of obese-diabetic (db/db) mice with PPARγ agonists (11 d), mean plasma Acrp30 protein levels increased (>3×). Similar effects were noted in a nongenetic type 2 diabetes model (fat-fed and low-dose streptozotocin-treated mice). In contrast, treatment of mice (db/db or fat-fed) with metformin or a PPARα agonist did not affect plasma Acrp30 protein levels. In a cohort of normal human subjects, 14-d treatment with rosiglitazone also produced a 130% increase in circulating Acrp30 levels vs. placebo. In addition, circulating Acrp30 levels were suppressed 5-fold in patients with severe insulin resistance in association with dominant-negative PPARγ mutations. Thus, induction of adipose tissue Acrp30 expression and consequent increases in circulating Acrp30 levels represents a novel potential mechanism for PPARγ-mediated enhancement of whole-body insulin sensitivity. Furthermore, Acrp30 is likely to be a biomarker of in vivo PPARγ activation.

Luca Lotta, Robert Scott, Stephen O’Rahilly, Claudia Langenberg, David Savage, Nicholas Wareham, Inês Barroso and colleagues identify 53 genomic regions associated with insulin resistance phenotypes. Their findings suggest that limited storage capacity of peripheral adipose tissue is an important etiological component in insulin-resistant cardiometabolic disease and highlight genes and mechanisms underpinning this link. Insulin resistance is a key mediator of obesity-related cardiometabolic disease, yet the mechanisms underlying this link remain obscure. Using an integrative genomic approach, we identify 53 genomic regions associated with insulin resistance phenotypes (higher fasting insulin levels adjusted for BMI, lower HDL cholesterol levels and higher triglyceride levels) and provide evidence that their link with higher cardiometabolic risk is underpinned by an association with lower adipose mass in peripheral compartments. Using these 53 loci, we show a polygenic contribution to familial partial lipodystrophy type 1, a severe form of insulin resistance, and highlight shared molecular mechanisms in common/mild and rare/severe insulin resistance. Population-level genetic analyses combined with experiments in cellular models implicate CCDC92, DNAH10 and L3MBTL3 as previously unrecognized molecules influencing adipocyte differentiation. Our findings support the notion that limited storage capacity of peripheral adipose tissue is an important etiological component in insulin-resistant cardiometabolic disease and highlight genes and mechanisms underpinning this link.

We previously reported a syndrome of severe hyperinsulinemia and early-onset hypertension in three patients with dominant-negative mutations in the nuclear hormone receptor peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-γ. We now report the results of further detailed pathophysiological evaluation of these subjects, the identification of affected prepubertal children within one of the original families, and the effects of thiazolidinedione therapy in two subjects. These studies 1) definitively demonstrate the presence of severe peripheral and hepatic insulin resistance in the affected subjects; 2) describe a stereotyped pattern of partial lipodystrophy associated with all the features of the metabolic syndrome and nonalcoholic steatohepatitis; 3) document abnormalities in the in vivo function of remaining adipose tissue, including the inability of subcutaneous abdominal adipose tissue to trap and store free fatty acids postprandially and the presence of very low circulating levels of adiponectin; 4) document the presence of severe hyperinsulinemia in prepubertal carriers of the proline-467-leucine (P467L) PPAR-γ mutation; 5) provide the first direct evidence of cellular resistance to PPAR-γ agonists in mononuclear cells derived from the patients; and 6) report on the metabolic response to thiazolidinedione therapy in two affected subjects. Although the condition is rare, the study of humans with dominant-negative mutations in PPAR-γ can provide important insight into the roles of this nuclear receptor in human metabolism.

Hepatic steatosis is a core feature of the metabolic syndrome and type 2 diabetes and leads to hepatic insulin resistance. Malonyl-CoA, generated by acetyl-CoA carboxylases 1 and 2 (Acc1 and Acc2), is a key regulator of both mitochondrial fatty acid oxidation and fat synthesis. We used a diet-induced rat model of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) and hepatic insulin resistance to explore the impact of suppressing Acc1, Acc2, or both Acc1 and Acc2 on hepatic lipid levels and insulin sensitivity. While suppression of Acc1 or Acc2 expression with antisense oligonucleotides (ASOs) increased fat oxidation in rat hepatocytes, suppression of both enzymes with a single ASO was significantly more effective in promoting fat oxidation. Suppression of Acc1 also inhibited lipogenesis whereas Acc2 reduction had no effect on lipogenesis. In rats with NAFLD, suppression of both enzymes with a single ASO was required to significantly reduce hepatic malonyl-CoA levels in vivo, lower hepatic lipids (long-chain acyl-CoAs, diacylglycerol, and triglycerides), and improve hepatic insulin sensitivity. Plasma ketones were significantly elevated compared with controls in the fed state but not in the fasting state, indicating that lowering Acc1 and -2 expression increases hepatic fat oxidation specifically in the fed state. These studies suggest that pharmacological inhibition of Acc1 and -2 may be a novel approach in the treatment of NAFLD and hepatic insulin resistance.

Metformin, the world’s most prescribed anti-diabetic drug, is also effective in preventing type 2 diabetes in people at high risk1,2. More than 60% of this effect is attributable to the ability of metformin to lower body weight in a sustained manner3. The molecular mechanisms by which metformin lowers body weight are unknown. Here we show—in two independent randomized controlled clinical trials—that metformin increases circulating levels of the peptide hormone growth/differentiation factor 15 (GDF15), which has been shown to reduce food intake and lower body weight through a brain-stem-restricted receptor. In wild-type mice, oral metformin increased circulating GDF15, with GDF15 expression increasing predominantly in the distal intestine and the kidney. Metformin prevented weight gain in response to a high-fat diet in wild-type mice but not in mice lacking GDF15 or its receptor GDNF family receptor α-like (GFRAL). In obese mice on a high-fat diet, the effects of metformin to reduce body weight were reversed by a GFRAL-antagonist antibody. Metformin had effects on both energy intake and energy expenditure that were dependent on GDF15, but retained its ability to lower circulating glucose levels in the absence of GDF15 activity. In summary, metformin elevates circulating levels of GDF15, which is necessary to obtain its beneficial effects on energy balance and body weight, major contributors to its action as a chemopreventive agent. In mouse studies, metformin treatment results in increased secretion of growth/differentiation factor 15 (GDF15), which prevents weight gain in response to high-fat diet, and GDF15-independent lowering of circulating blood glucose.

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a major contributing factor to hepatic insulin resistance in type 2 diabetes. Diacylglycerol acyltransferase (Dgat), of which there are two isoforms (Dgat1 and Dgat2), catalyzes the final step in triglyceride synthesis. We evaluated the metabolic impact of pharmacological reduction of DGAT1 and -2 expression in liver and fat using antisense oligonucleotides (ASOs) in rats with diet-induced NAFLD. Dgat1 and Dgat2 ASO treatment selectively reduced DGAT1 and DGAT2 mRNA levels in liver and fat, but only Dgat2 ASO treatment significantly reduced hepatic lipids (diacylglycerol and triglyceride but not long chain acyl CoAs) and improved hepatic insulin sensitivity. Because Dgat catalyzes triglyceride synthesis from diacylglycerol, and because we have hypothesized that diacylglycerol accumulation triggers fat-induced hepatic insulin resistance through protein kinase C epsilon activation, we next sought to understand the paradoxical reduction in diacylglycerol in Dgat2 ASO-treated rats. Within 3 days of starting Dgat2 ASO therapy in high fat-fed rats, plasma fatty acids increased, whereas hepatic lysophosphatidic acid and diacylglycerol levels were similar to those of control rats. These changes were associated with reduced expression of lipogenic genes (SREBP1c, ACC1, SCD1, and mtGPAT) and increased expression of oxidative/thermogenic genes (CPT1 and UCP2). Taken together, these data suggest that knocking down Dgat2 protects against fat-induced hepatic insulin resistance by paradoxically lowering hepatic diacylglycerol content and protein kinase C epsilon activation through decreased SREBP1c-mediated lipogenesis and increased hepatic fatty acid oxidation.

GDF15 is an established biomarker of cellular stress. The fact that it signals via a specific hindbrain receptor, GFRAL, and that mice lacking GDF15 manifest diet-induced obesity suggest that GDF15 may play a physiological role in energy balance. We performed experiments in humans, mice, and cells to determine if and how nutritional perturbations modify GDF15 expression. Circulating GDF15 levels manifest very modest changes in response to moderate caloric surpluses or deficits in mice or humans, differentiating it from classical intestinally derived satiety hormones and leptin. However, GDF15 levels do increase following sustained high-fat feeding or dietary amino acid imbalance in mice. We demonstrate that GDF15 expression is regulated by the integrated stress response and is induced in selected tissues in mice in these settings. Finally, we show that pharmacological GDF15 administration to mice can trigger conditioned taste aversion, suggesting that GDF15 may induce an aversive response to nutritional stress.