Metformin is one of the most widely prescribed therapeutics for type 2 diabetes. But exactly how it works is still unclear. Gregory Steinberg and colleagues now show that it does so by activation of the enzyme AMP-activated protein kinase (Ampk) and Ampk's obligate targeting of two key enzymes involved in lipid homeostasis. The obesity epidemic has led to an increased incidence of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) and type 2 diabetes. AMP-activated protein kinase (Ampk) regulates energy homeostasis and is activated by cellular stress, hormones and the widely prescribed type 2 diabetes drug metformin1,2. Ampk phosphorylates mouse acetyl-CoA carboxylase 1 (Acc1; refs. 3,4) at Ser79 and Acc2 at Ser212, inhibiting the conversion of acetyl-CoA to malonyl-CoA. The latter metabolite is a precursor in fatty acid synthesis5 and an allosteric inhibitor of fatty acid transport into mitochondria for oxidation6. To test the physiological impact of these phosphorylation events, we generated mice with alanine knock-in mutations in both Acc1 (at Ser79) and Acc2 (at Ser212) (Acc double knock-in, AccDKI). Compared to wild-type mice, these mice have elevated lipogenesis and lower fatty acid oxidation, which contribute to the progression of insulin resistance, glucose intolerance and NAFLD, but not obesity. Notably, AccDKI mice made obese by high-fat feeding are refractory to the lipid-lowering and insulin-sensitizing effects of metformin. These findings establish that inhibitory phosphorylation of Acc by Ampk is essential for the control of lipid metabolism and, in the setting of obesity, for metformin-induced improvements in insulin action.

Chronic reactive oxygen species (ROS) production by mitochondria may contribute to the development of insulin resistance, a primary feature of type 2 diabetes. In recent years it has become apparent that ROS generation in response to physiological stimuli such as insulin may also facilitate signaling by reversibly oxidizing and inhibiting protein tyrosine phosphatases (PTPs). Here we report that mice lacking one of the key enzymes involved in the elimination of physiological ROS, glutathione peroxidase 1 (Gpx1), were protected from high-fat-diet-induced insulin resistance. The increased insulin sensitivity in Gpx1−/− mice was attributed to insulin-induced phosphatidylinositol-3-kinase/Akt signaling and glucose uptake in muscle and could be reversed by the antioxidant N-acetylcysteine. Increased insulin signaling correlated with enhanced oxidation of the PTP family member PTEN, which terminates signals generated by phosphatidylinositol-3-kinase. These studies provide causal evidence for the enhancement of insulin signaling by ROS in vivo.

Individuals who are obese are frequently insulin resistant, putting them at increased risk of developing type 2 diabetes and its associated adverse health conditions. The accumulation in adipose tissue of macrophages in an inflammatory state is a hallmark of obesity-induced insulin resistance. Here, we reveal a role for AMPK β1 in protecting macrophages from inflammation under high lipid exposure. Genetic deletion of the AMPK β1 subunit in mice (referred to herein as β1(-/-) mice) reduced macrophage AMPK activity, acetyl-CoA carboxylase phosphorylation, and mitochondrial content, resulting in reduced rates of fatty acid oxidation. β1(-/-) macrophages displayed increased levels of diacylglycerol and markers of inflammation, effects that were reproduced in WT macrophages by inhibiting fatty acid oxidation and, conversely, prevented by pharmacological activation of AMPK β1-containing complexes. The effect of AMPK β1 loss in macrophages was tested in vivo by transplantation of bone marrow from WT or β1(-/-) mice into WT recipients. When challenged with a high-fat diet, mice that received β1(-/-) bone marrow displayed enhanced adipose tissue macrophage inflammation and liver insulin resistance compared with animals that received WT bone marrow. Thus, activation of AMPK β1 and increasing fatty acid oxidation in macrophages may represent a new therapeutic approach for the treatment of insulin resistance.

Abstract Metabolic homeostasis and the ability to link energy supply to demand are essential requirements for all living cells to grow and proliferate. Key to metabolic homeostasis in all eukaryotes are AMPK and mTORC1, two kinases that sense nutrient levels and function as counteracting regulators of catabolism (AMPK) and anabolism (mTORC1) to control cell survival, growth and proliferation. Discoveries beginning in the early 2000s revealed that AMPK and mTORC1 communicate, or cross-talk, through direct and indirect phosphorylation events to regulate the activities of each other and their shared protein substrate ULK1, the master initiator of autophagy, thereby allowing cellular metabolism to rapidly adapt to energy and nutritional state. More recent reports describe divergent mechanisms of AMPK/mTORC1 cross-talk and the elaborate means by which AMPK and mTORC1 are activated at the lysosome. Here, we provide a comprehensive overview of current understanding in this exciting area and comment on new evidence showing mTORC1 feedback extends to the level of the AMPK isoform, which is particularly pertinent for some cancers where specific AMPK isoforms are implicated in disease pathogenesis.

Abstract AMPK and mTORC1 are nutrient-sensitive protein kinases that form a fundamental negative feedback loop that governs cell growth and proliferation. AMPK is an αβγ heterotrimer that is directly phosphorylated by mTORC1 on α2 S345 to suppress AMPK activity and promote cell proliferation under nutrient stress conditions. Using mass spectrometry, we generated precise phosphorylation profiles of all 12 AMPK complexes expressed in proliferating human cells. Of the 18 phosphorylation sites detected, seven were sensitive to pharmacological mTORC1 inhibition, including four in the AMPK γ2 isoform NH 2 -terminal domain and α2 S377 which is located in the nucleotide-sensing motif. In particular, β1 S182 and β2 S184 were found to be mTORC1 substrates in vitro and near-maximally or substantially phosphorylated under cellular growth conditions. β S182 phosphorylation was elevated in α1-containing complexes, relative to α2, an effect partly attributable to the non-conserved α-subunit serine/threonine-rich loop. While mutation of β1 S182 to a non-phosphorylatable Ala had no effect on basal and ligand-stimulated AMPK activity, β2-S184A mutation increased nuclear AMPK activity and enhanced cell proliferation under nutrient stress. We conclude that mTORC1 governs the nuclear activity of AMPK to regulate transcription factors involved in metabolism and cell survival during nutrient shortage.

ABSTRACT Loss of functional β-cell mass is a key factor contributing to the poor glycaemic control in type 2 diabetes. However, therapies that directly target these underlying processes remains lacking. Here we demonstrate that gene expression of neuropeptide Y1 receptor and its ligand, neuropeptide Y, was significantly upregulated in human islets from subjects with type 2 diabetes. Importantly, the reduced insulin secretion in type 2 diabetes was associated with increased neuropeptide Y and Y1 receptor expression in human islets. Consistently, pharmacological inhibition of Y1 receptors by BIBO3304 significantly protected β-cells from dysfunction and death under multiple diabetogenic conditions in islets. In a preclinical study, Y1 receptor antagonist BIBO3304 treatment improved β-cell function and preserved functional β-cell mass, thereby resulting in better glycaemic control in both high-fat-diet/multiple low-dose streptozotocin- and db/db type 2 diabetic mice. Collectively, our results uncovered a novel causal link of increased islet NPY-Y1 receptor signaling to β-cell dysfunction and failure in human type 2 diabetes. These results further demonstrate that inhibition of Y1 receptor by BIBO3304 represents a novel and effective β-cell protective therapy for improving functional β-cell mass and glycaemic control in type 2 diabetes.

Meteorin-like (metrnl) is a recently identified adipomyokine that has beneficial effects on glucose metabolism. However, its underlying mechanism of action is not completely understood. In this study, we have shown that a level of metrnl increase in vitro under electrical-pulse-stimulation (EPS) and in vivo in exercise mice, suggesting that metrnl is an exercise-induced myokine. In addition, metrnl increases glucose uptake through the calcium-dependent AMPK pathway. Metrnl also increases the phosphorylation of HDAC5, a transcriptional repressor of GLUT4, in an AMPK-dependent manner. Phosphorylated HDAC5 interacts with 14-3-3 proteins and sequesters them in the cytoplasm, resulting in the activation of GLUT4 transcription. The intraperitoneal injection of recombinant metrnl improves glucose tolerance in mice with high fat-induced obesity or type 2 diabetes (db/db), but this is not seen in AMPK muscle-specific null mice (AMPK MKO). In conclusion, we have demonstrated that metrnl induces beneficial effects on glucose metabolism via AMPK and is a promising therapeutic candidate for glucose-related diseases such as type 2 diabetes.