The melanocortin-4 receptor (MC4-R) is a G protein–coupled, seven-transmembrane receptor expressed in the brain. Inactivation of this receptor by gene targeting results in mice that develop a maturity onset obesity syndrome associated with hyperphagia, hyperinsulinemia, and hyperglycemia. This syndrome recapitulates several of the characteristic features of the agouti obesity syndrome, which results from ectopic expression of agouti protein, a pigmentation factor normally expressed in the skin. Our data identify a novel signaling pathway in the mouse for body weight regulation and support a model in which the primary mechanism by which agouti induces obesity is chronic antagonism of the MC4-R.

The administration of leptin1 to leptin-deficient humans, and the analogous Lepob/Lepob mice, effectively reduces hyperphagia and obesity2,3. But common obesity is associated with elevated leptin, which suggests that obese humans are resistant to this adipocyte hormone. In addition to regulating long-term energy balance, leptin also rapidly affects neuronal activity4,5,6. Proopiomelanocortin (POMC) and neuropeptide-Y types of neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus7 are both principal sites of leptin receptor expression and the source of potent neuropeptide modulators, melanocortins and neuropeptide Y, which exert opposing effects on feeding and metabolism8,9. These neurons are therefore ideal for characterizing leptin action and the mechanism of leptin resistance; however, their diffuse distribution makes them difficult to study. Here we report electrophysiological recordings on POMC neurons, which we identified by targeted expression of green fluorescent protein in transgenic mice. Leptin increases the frequency of action potentials in the anorexigenic POMC neurons by two mechanisms: depolarization through a nonspecific cation channel; and reduced inhibition by local orexigenic neuropeptide-Y/GABA (γ-aminobutyric acid) neurons. Furthermore, we show that melanocortin peptides have an autoinhibitory effect on this circuit. On the basis of our results, we propose an integrated model of leptin action and neuronal architecture in the arcuate nucleus of the hypothalamus.

Abstract

 The gastrointestinal peptide hormone ghrelin stimulates appetite in rodents and humans via hypothalamic actions. We discovered expression of ghrelin in a previously uncharacterized group of neurons adjacent to the third ventricle between the dorsal, ventral, paraventricular, and arcuate hypothalamic nuclei. These neurons send efferents onto key hypothalamic circuits, including those producing neuropeptide Y (NPY), Agouti-related protein (AGRP), proopiomelanocortin (POMC) products, and corticotropin-releasing hormone (CRH). Within the hypothalamus, ghrelin bound mostly on presynaptic terminals of NPY neurons. Using electrophysiological recordings, we found that ghrelin stimulated the activity of arcuate NPY neurons and mimicked the effect of NPY in the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVH). We propose that at these sites, release of ghrelin may stimulate the release of orexigenic peptides and neurotransmitters, thus representing a novel regulatory circuit controlling energy homeostasis.

POMC, the precursor of ACTH, MSH, and beta-endorphin peptides, is expressed in the pituitary and in two sites in the brain, in the arcuate nucleus of the hypothalamus and the commissural nucleus of the solitary tract of the brain stem. Little is known regarding the functions of melanocortin (ACTH and MSH) peptides in the brain. We report here the detailed neuroanatomical distribution of the MC4-R mRNA in the adult rat brain. The melanocortin 3 receptor (MC3-R), characterized previously, was found to be expressed in arcuate nucleus neurons and in a subset of their presumptive terminal fields but in few regions of the brainstem. The highly conserved MC4-R is much more widely expressed than MC3-R and is pharmacologically distinct. MC4-R mRNA was found in multiple sites in virtually every brain region, including the cortex, thalamus, hypothalamus, brainstem, and spinal cord. Unlike the MC3-R, MC4-R mRNA is found in both parvicellular and magnocellular neurons of the paraventricular nucleus of the hypothalamus, suggesting a role in the central control of pituitary function. MC4-R is also unique in its expression in numerous cortical and brainstem nuclei. Together, MC3-R and/or MC-4R mRNA are found in every nucleus reported to bind MSH in the adult rat brain and define neuronal circuitry known to be involved in the control of diverse neuroendocrine and autonomic functions. The high degree of conservation, distinct pharmacology, and unique neuronal distribution of the MC4 receptor suggest specific and complex roles for the melanocortin peptides in neuroendocrine and autonomic control.

Coat colors in the chestnut horse, the yellow Labrador retriever, the red fox, and one type of yellow mouse are due to recessive alleles at the extension locus. Similarly, dominant alleles at this locus are often responsible for dark coat colors in mammals, such as the melanic form of the leopard, Panthera pardus. We show here that the murine extension locus encodes the melanocyte-stimulating hormone (MSH) receptor. In mice, the recessive yellow allele (e) results from a frameshift that produces a prematurely terminated, nonfunctioning receptor. The sombre (Eso and Eso−3J) and tobacco darkening (Etob) alleles, which both have dominant melanizing effects, result from point mutations that produce hyperactive MSH receptors. The Eso−3J receptor is constitutively activated, while the Etob receptor remains hormone responsive and produces a greater activation of its effector, adenylyl cyclase, than does the wild-type allele.

The melanocortin-4 receptor (MC4R) is critically involved in regulating energy balance, and obesity has been observed in mice with mutations in the gene for brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Here we report that BDNF is expressed at high levels in the ventromedial hypothalamus (VMH) where its expression is regulated by nutritional state and by MC4R signaling. In addition, similar to MC4R mutants, mouse mutants that expresses the BDNF receptor TrkB at a quarter of the normal amount showed hyperphagia and excessive weight gain on higher-fat diets. Furthermore, BDNF infusion into the brain suppressed the hyperphagia and excessive weight gain observed on higher-fat diets in mice with deficient MC4R signaling. These results show that MC4R signaling controls BDNF expression in the VMH and support the hypothesis that BDNF is an important effector through which MC4R signaling controls energy balance.

Characterized primarily by a low body-mass index, anorexia nervosa is a complex and serious illness1, affecting 0.9–4% of women and 0.3% of men2–4, with twin-based heritability estimates of 50–60%5. Mortality rates are higher than those in other psychiatric disorders6, and outcomes are unacceptably poor7. Here we combine data from the Anorexia Nervosa Genetics Initiative (ANGI)8,9 and the Eating Disorders Working Group of the Psychiatric Genomics Consortium (PGC-ED) and conduct a genome-wide association study of 16,992 cases of anorexia nervosa and 55,525 controls, identifying eight significant loci. The genetic architecture of anorexia nervosa mirrors its clinical presentation, showing significant genetic correlations with psychiatric disorders, physical activity, and metabolic (including glycemic), lipid and anthropometric traits, independent of the effects of common variants associated with body-mass index. These results further encourage a reconceptualization of anorexia nervosa as a metabo-psychiatric disorder. Elucidating the metabolic component is a critical direction for future research, and paying attention to both psychiatric and metabolic components may be key to improving outcomes. Genome-wide analyses identify eight independent loci associated with anorexia nervosa. Genetic correlations implicate both psychiatric and metabolic components in the etiology of this disorder, even after adjusting for the effects of common variants associated with body mass index.