Hepatic gluconeogenesis is absolutely required for survival during prolonged fasting or starvation, but is inappropriately activated in diabetes mellitus. Glucocorticoids and glucagon have strong gluconeogenic actions on the liver. In contrast, insulin suppresses hepatic gluconeogenesis1,2,3. Two components known to have important physiological roles in this process are the forkhead transcription factor FOXO1 (also known as FKHR) and peroxisome proliferative activated receptor-γ co-activator 1 (PGC-1α; also known as PPARGC1), a transcriptional co-activator; whether and how these factors collaborate has not been clear. Using wild-type and mutant alleles of FOXO1, here we show that PGC-1α binds and co-activates FOXO1 in a manner inhibited by Akt-mediated phosphorylation. Furthermore, FOXO1 function is required for the robust activation of gluconeogenic gene expression in hepatic cells and in mouse liver by PGC-1α. Insulin suppresses gluconeogenesis stimulated by PGC-1α but co-expression of a mutant allele of FOXO1 insensitive to insulin completely reverses this suppression in hepatocytes or transgenic mice. We conclude that FOXO1 and PGC-1α interact in the execution of a programme of powerful, insulin-regulated gluconeogenesis.

Diabetes is associated with β cell failure. But it remains unclear whether the latter results from reduced β cell number or function. FoxO1 integrates β cell proliferation with adaptive β cell function. We interrogated the contribution of these two processes to β cell dysfunction, using mice lacking FoxO1 in β cells. FoxO1 ablation caused hyperglycemia with reduced β cell mass following physiologic stress, such as multiparity and aging. Surprisingly, lineage-tracing experiments demonstrated that loss of β cell mass was due to β cell dedifferentiation, not death. Dedifferentiated β cells reverted to progenitor-like cells expressing Neurogenin3, Oct4, Nanog, and L-Myc. A subset of FoxO1-deficient β cells adopted the α cell fate, resulting in hyperglucagonemia. Strikingly, we identify the same sequence of events as a feature of different models of murine diabetes. We propose that dedifferentiation trumps endocrine cell death in the natural history of β cell failure and suggest that treatment of β cell dysfunction should restore differentiation, rather than promoting β cell replication.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIyMDFkZjRlNWVmYjhmYjQ4MzI4NTJiZTViMWM0NTU4NiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4MDQzMDY5fQ.N0gEqTVnUsDg4oJEL8abY_pYAOP7b_ty8we5q3wyXJFtNdlmGMgxbmYVbGs5lhi3YFLBaMrqdIbM7GDTDzLNiGJ4sLtYRHv_Innoan9vvGgsnbpHR1Bgqi3-lzUgL-4Xp4kAT8OxOhswJJUd3fHtMkoriYgYciesRTPNFk9t-CPkBm0sQZGiOAFfoQ-ECcwXO6Rj6NiMbLEuG8eHJLuGFWIeqqpbX-A-U32bz1VQ4Iv3HWxd-e2iUmkOJKtKBj00c50P4VbStwr2noD_TGfebhOGoCyyFmqlahbZpINn2NHai8EoNiuyX1gdvGZVhCnwYMaH0cb8Wf41Op0iieAe-A(mp4, (11.91 MB) Download video

Skeletal muscle insulin resistance is among the earliest detectable defects in humans with type 2 diabetes mellitus. To determine the contribution of muscle insulin resistance to the metabolic phenotype of diabetes, we used the Cre-loxP system to disrupt the insulin receptor gene in mouse skeletal muscle. The muscle-specific insulin receptor knockout mice exhibit a muscle-specific > 95% reduction in receptor content and early signaling events. These mice display elevated fat mass, serum triglycerides, and free fatty acids, but blood glucose, serum insulin, and glucose tolerance are normal. Thus, insulin resistance in muscle contributes to the altered fat metabolism associated with type 2 diabetes, but tissues other than muscle appear to be more involved in insulin-regulated glucose disposal than previously recognized.

Abstract

 An outstanding question in adipocyte biology is how hormonal cues are relayed to the nucleus to activate the transcriptional program that promotes adipogenesis. The forkhead transcription factor Foxo1 is regulated by insulin via Akt-dependent phosphorylation and nuclear exclusion. We show that Foxo1 is induced in the early stages of adipocyte differentiation but that its activation is delayed until the end of the clonal expansion phase. Constitutively active Foxo1 prevents the differentiation of preadipocytes, while dominant-negative Foxo1 restores adipocyte differentiation of fibroblasts from insulin receptor-deficient mice. Further, Foxo1 haploinsufficiency protects from diet-induced diabetes in mice. We propose that Foxo1 plays an important role in the integration of hormone-activated signaling pathways with the complex transcriptional cascade that promotes adipocyte differentiation.

Brown adipose tissue (BAT) can disperse stored energy as heat. Promoting BAT-like features in white adipose (WAT) is an attractive, if elusive, therapeutic approach to staunch the current obesity epidemic. Here we report that gain of function of the NAD-dependent deacetylase SirT1 or loss of function of its endogenous inhibitor Deleted in breast cancer-1 (Dbc1) promote “browning” of WAT by deacetylating peroxisome proliferator-activated receptor (Ppar)-γ on Lys268 and Lys293. SirT1-dependent deacetylation of Lys268 and Lys293 is required to recruit the BAT program coactivator Prdm16 to Pparγ, leading to selective induction of BAT genes and repression of visceral WAT genes associated with insulin resistance. An acetylation-defective Pparγ mutant induces a brown phenotype in white adipocytes, whereas an acetylated mimetic fails to induce “brown” genes but retains the ability to activate “white” genes. We propose that SirT1-dependent Pparγ deacetylation is a form of selective Pparγ modulation of potential therapeutic import.

Protein–protein interactions, essential for understanding how a cell functions, are predicted using a new method that combines protein structure with other computationally and experimentally derived clues. The analysis of protein-interaction networks is essential to an understanding of the regulatory processes in a living cell. Many methods have been developed with a view to predicting protein–protein interactions (PPIs) at a genome-wide level, although the differences obtained using these approaches suggest that there are still factors unaccounted for. Barry Honig and colleagues have developed a new way of predicting PPIs that is based on the proteins' three-dimensional structures and functional data. Tests of several predictions of the new algorithm, known as PREPPI, confirm the accuracy of the results. The genome-wide identification of pairs of interacting proteins is an important step in the elucidation of cell regulatory mechanisms1,2. Much of our present knowledge derives from high-throughput techniques such as the yeast two-hybrid assay and affinity purification3, as well as from manual curation of experiments on individual systems4. A variety of computational approaches based, for example, on sequence homology, gene co-expression and phylogenetic profiles, have also been developed for the genome-wide inference of protein–protein interactions (PPIs)5,6. Yet comparative studies suggest that the development of accurate and complete repertoires of PPIs is still in its early stages7,8,9. Here we show that three-dimensional structural information can be used to predict PPIs with an accuracy and coverage that are superior to predictions based on non-structural evidence. Moreover, an algorithm, termed PrePPI, which combines structural information with other functional clues, is comparable in accuracy to high-throughput experiments, yielding over 30,000 high-confidence interactions for yeast and over 300,000 for human. Experimental tests of a number of predictions demonstrate the ability of the PrePPI algorithm to identify unexpected PPIs of considerable biological interest. The surprising effectiveness of three-dimensional structural information can be attributed to the use of homology models combined with the exploitation of both close and remote geometric relationships between proteins.

Summary

 In yeast, worms, and flies, an extra copy of the gene encoding the Sirtuin Sir2 increases metabolic efficiency, as does administration of polyphenols like resveratrol, thought to act through Sirtuins. But evidence that Sirtuin gain of function results in increased metabolic efficiency in mammals is limited. We generated transgenic mice with moderate overexpression of SirT1, designed to mimic the Sirtuin gain of function that improves metabolism in C. elegans. These mice exhibit normal insulin sensitivity but decreased food intake and locomotor activity, resulting in decreased energy expenditure. However, in various models of insulin resistance and diabetes, SirT1 transgenics display improved glucose tolerance due to decreased hepatic glucose production and increased adiponectin levels, without changes in body weight or composition. We conclude that SirT1 gain of function primes the organism for metabolic adaptation to insulin resistance, increasing hepatic insulin sensitivity and decreasing whole-body energy requirements. These findings have important implications for Sirtuin-based therapies in humans.

Type 2 diabetes is characterized by the inability of insulin to suppress glucose production in the liver and kidney. Insulin inhibits glucose production by indirect and direct mechanisms. The latter result in transcriptional suppression of key gluconeogenetic and glycogenolytic enzymes, phosphoenolpyruvate carboxykinase (Pepck) and glucose-6-phosphatase (G6p). The transcription factors required for this effect are incompletely characterized. We report that in glucogenetic kidney epithelial cells, Pepck and G6p expression are induced by dexamethasone (dex) and cAMP, but fail to be inhibited by insulin. The inability to respond to insulin is associated with reduced expression of the forkhead transcription factor Foxo1, a substrate of the Akt kinase that is inhibited by insulin through phosphorylation. Transduction of kidney cells with recombinant adenovirus encoding Foxo1 results in insulin inhibition of dex/cAMP–induced G6p expression. Moreover, expression of dominant negative Foxo1 mutant results in partial inhibition of dex/cAMP–induced G6p and Pepck expression in primary cultures of mouse hepatocyes and kidney LLC-PK1-FBPase+ cells. These findings are consistent with the possibility that Foxo1 is involved in insulin regulation of glucose production by mediating the ability of insulin to decrease the glucocorticoid/cAMP response of G6p.