Obesity and type 2 diabetes have been associated with a high-fat diet (HFD) and reduced mitochondrial mass and function. We hypothesized a HFD may affect expression of genes involved in mitochondrial function and biogenesis. To test this hypothesis, we fed 10 insulin-sensitive males an isoenergetic HFD for 3 days with muscle biopsies before and after intervention. Oligonucleotide microarray analysis revealed 297 genes were differentially regulated by the HFD (Bonferonni adjusted P < 0.001). Six genes involved in oxidative phosphorylation (OXPHOS) decreased. Four were members of mitochondrial complex I: NDUFB3, NDUFB5, NDUFS1, and NDUFV1; one was SDHB in complex II and a mitochondrial carrier protein SLC25A12. Peroxisome proliferator–activated receptor γ coactivator-1 (PGC1) α and PGC1β mRNA were decreased by −20%, P < 0.01, and −25%, P < 0.01, respectively. In a separate experiment, we fed C57Bl/6J mice a HFD for 3 weeks and found that the same OXPHOS and PGC1 mRNAs were downregulated by ∼90%, cytochrome C and PGC1α protein by ∼40%. Combined, these results suggest a mechanism whereby HFD downregulates genes necessary for OXPHOS and mitochondrial biogenesis. These changes mimic those observed in diabetes and insulin resistance and, if sustained, may result in mitochondrial dysfunction in the prediabetic/insulin-resistant state.

Metabolic flexibility is the capacity of a system to adjust fuel (primarily glucose and fatty acids) oxidation based on nutrient availability. The ability to alter substrate oxidation in response to nutritional state depends on the genetically influenced balance between oxidation and storage capacities. Competition between fatty acids and glucose for oxidation occurs at the level of the pyruvate dehydrogenase complex (PDC). The PDC is normally active in most tissues in the fed state, and suppressing PDC activity by pyruvate dehydrogenase (PDH) kinase (PDK) is crucial to maintain energy homeostasis under some extreme nutritional conditions in mammals. Conversely, inappropriate suppression of PDC activity might promote the development of metabolic diseases. This review summarizes PDKs’ pivotal role in control of metabolic flexibility under various nutrient conditions and in different tissues, with emphasis on the best characterized PDK4. Understanding the regulation of PDC and PDKs and their roles in energy homeostasis could be beneficial to alleviate metabolic inflexibility and to provide possible therapies for metabolic diseases, including type 2 diabetes (T2D).

Obesity and type 2 diabetes are strongly associated with abnormal lipid metabolism and accumulation of intramyocellular triacylglycerol, but the underlying cause of these perturbations are yet unknown. Herein, we show that the lipogenic gene, stearoyl-CoA desaturase 1 (SCD1), is robustly up-regulated in skeletal muscle from extremely obese humans. High expression and activity of SCD1, an enzyme that catalyzes the synthesis of monounsaturated fatty acids, corresponded with low rates of fatty acid oxidation, increased triacylglycerol synthesis and increased monounsaturation of muscle lipids. Elevated SCD1 expression and abnormal lipid partitioning were retained in primary skeletal myocytes derived from obese compared to lean donors, implying that these traits might be driven by epigenetic and/or heritable mechanisms. Overexpression of human SCD1 in myotubes from lean subjects was sufficient to mimic the obese phenotype. These results suggest that elevated expression of SCD1 in skeletal muscle contributes to abnormal lipid metabolism and progression of obesity.

Obesity and metabolic syndrome are associated with mitochondrial dysfunction and deranged regulation of metabolic genes. Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1β (PGC-1β) is a transcriptional coactivator that regulates metabolism and mitochondrial biogenesis through stimulation of nuclear hormone receptors and other transcription factors. We report that the PGC-1β gene encodes two microRNAs (miRNAs), miR-378 and miR-378*, which counterbalance the metabolic actions of PGC-1β. Mice genetically lacking miR-378 and miR-378* are resistant to high-fat diet-induced obesity and exhibit enhanced mitochondrial fatty acid metabolism and elevated oxidative capacity of insulin-target tissues. Among the many targets of these miRNAs, carnitine O -acetyltransferase, a mitochondrial enzyme involved in fatty acid metabolism, and MED13, a component of the Mediator complex that controls nuclear hormone receptor activity, are repressed by miR-378 and miR-378*, respectively, and are elevated in the livers of miR-378/378* KO mice. Consistent with these targets as contributors to the metabolic actions of miR-378 and miR-378*, previous studies have implicated carnitine O -acetyltransferase and MED13 in metabolic syndrome and obesity. Our findings identify miR-378 and miR-378* as integral components of a regulatory circuit that functions under conditions of metabolic stress to control systemic energy homeostasis and the overall oxidative capacity of insulin target tissues. Thus, these miRNAs provide potential targets for pharmacologic intervention in obesity and metabolic syndrome.

Abstract Omega-3 fatty acids (ω-3 FA) play a number of important functions in health and human performance. While previous research has suggested that low ω-3 FA status is prevalent in the general population, little information about athletes’ ω-3 FA status is available. The purpose of this study was to assess the omega-3 fatty acid (ω-3 FA) status of collegiate athletes. Dietary ω-3 FA intake was evaluated in athletes from nine NCAA Division I institutions (n=1,528, 51% male, 19.9 ± 1.4 years of age, 29 sports represented) via food frequency questionnaire. Omega-3 Index (O3i) was assessed using a dried blood spot sample in a subset of these athletes (n=228). Only 6% (n = 93) of athletes achieved the Academy of Nutrition & Dietetics’ recommendation to consume 500 mg of the ω-3 FA’s docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA) per day. Use of ω-3 FA supplements was reported by 15% (n = 229) of participants. O3i was 4.33 ± 0.81%, with zero participants meeting the O3i benchmark of 8% associated with the lowest risk of cardiovascular disease. Every additional weekly serving of fish or seafood was associated with an absolute O3i increase of 0.27%. Overall, sub-optimal ω-3 FA status was observed among a large, geographically diverse group of male and female collegiate athletes. These findings may inform interventions aimed at improving ω-3 FA status of collegiate athletes. Further research on athlete-specific ω-3 FA requirements is needed.