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.

An Aspirin a Day? The protein kinase AMPK (adenosine monophosphate–activated protein kinase) directly monitors cellular energy stores as reflected by changes in cellular concentrations of AMP, adenosine diphosphate (ADP), and adenosine triphosphate (ATP). Through phosphorylation of its targets, it helps to control metabolism, polarity, autophagy, and the restraint of cell proliferation. Activation of AMPK is also proposed to be beneficial for the treatment of diseases, including cancer and diabetes. Hawley et al. (p. 918 , published online 19 April; see the Perspective by Shaw and Cantley ) report that AMPK can be activated by high concentrations of salicylate, a compound derived from the very commonly used drug aspirin. In mice, salicylate promoted fatty acid and carbohydrate metabolism in an AMPK-dependent fashion.

Elevated eripheral serotonin reduces brown adipose tissue thermogenesis and promotes obesity and metabolic dysfunction. Mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) is enriched within interscapular brown adipose tissue (iBAT) and beige (also known as brite) adipose tissue1,2, but its thermogenic potential is reduced with obesity and type 2 diabetes3,4,5 for reasons that are not understood. Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is a highly conserved biogenic amine that resides in non-neuronal and neuronal tissues that are specifically regulated via tryptophan hydroxylase 1 (Tph1) and Tph2, respectively6,7,8. Recent findings suggest that increased peripheral serotonin9 and polymorphisms in TPH1 are associated with obesity10; however, whether this is directly related to reduced BAT thermogenesis and obesity is not known. We find that Tph1-deficient mice fed a high-fat diet (HFD) are protected from obesity, insulin resistance and nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) while exhibiting greater energy expenditure by BAT. Small-molecule chemical inhibition of Tph1 in HFD-fed mice mimics the benefits ascribed to Tph1 genetic deletion, effects that depend on UCP1-mediated thermogenesis. The inhibitory effects of serotonin on energy expenditure are cell autonomous, as serotonin blunts β-adrenergic induction of the thermogenic program in brown and beige adipocytes in vitro. As obesity increases peripheral serotonin, the inhibition of serotonin signaling or its synthesis in adipose tissue may be an effective treatment for obesity and its comorbidities.

Background and aims Dysregulated cholesterol metabolism is a hallmark of atherosclerotic cardiovascular diseases, yet our understanding of how endogenous cholesterol synthesis affects atherosclerosis is not clear. The energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) phosphorylates and inhibits the rate-limiting enzyme in the mevalonate pathway HMG-CoA reductase (HMGCR). Recent work demonstrated that when AMPK-HMGCR signaling was compromised in an Apoe-/- model of hypercholesterolemia, atherosclerosis was exacerbated due to elevated hematopoietic stem and progenitor cell mobilization and myelopoiesis. We sought to validate the significance of the AMPK-HMGCR signaling axis in atherosclerosis using a non-germline hypercholesterolemia model with functional ApoE. Methods Male and female HMGCR S871A knock-in (KI) mice and wild-type (WT) littermate controls were made atherosclerotic by intravenous injection of a gain-of-function Pcsk9D374Y-adeno-associated virus followed by high-fat and high-cholesterol atherogenic western diet feeding for 16 weeks. Results AMPK activation suppressed endogenous cholesterol synthesis in primary bone marrow-derived macrophages from WT but not HMGCR KI mice, without changing other parameters of cholesterol regulation. Atherosclerotic plaque area was unchanged between WT and HMGCR KI mice, independent of sex. Correspondingly, there were no phenotypic differences observed in hematopoietic progenitors or differentiated immune cells in the bone marrow, blood, or spleen, and no significant changes in systemic markers of inflammation. When lethally irradiated female mice were transplanted with KI bone marrow, there was similar plaque content relative to WT. Conclusions Given previous work, our study demonstrates the importance of preclinical atherosclerosis model comparison and brings into question the importance of AMPK-mediated control of cholesterol synthesis in atherosclerosis.

Abstract Choline is an essential nutrient required for normal neuronal and muscular development, as well as homeostatic regulation of hepatic metabolism. In the liver, choline is incorporated into the main eukaryotic phospholipid, phosphatidylcholine (PC) and can enter one carbon metabolism via mitochondrial oxidation. Hepatitis C virus (HCV) is a hepatotropic positive-strand RNA virus that similar to other positive-strand RNA viruses can impact phospholipid metabolism. In the current study we sought to interrogate the link between choline transport and early HCV infection. Namely, we aimed to investigate how HCV modulates markers of choline metabolism following in vitro infection, while subsequently assessing how the inhibition of choline uptake and metabolism upon concurrent HCV infection may alter early viral replication. Finally, we assessed whether these parameters were consistent between cells cultured in fetal bovine serum (FBS) or human serum (HS), conditions known to differentially affect in vitro HCV infection. We observed that choline transport in FBS-cultured Huh7.5 cells is facilitated by the intermediate affinity transporter choline transporter-like family (CTL), and that CTL1 expression and the incorporation of choline into PC is diminished in 24 h infected FBS-cultured cells. Reciprocally, limiting the availability of choline for PC synthesis resulted in increased HCV replication at this early stage. In chronically HS-cultured Huh7.5 cells, there were no differences in the expression of choline transporters upon HCV infection or alterations to viral replication when choline transport was inhibited compared to control treatments. However, inhibiting choline uptake and metabolism in this system significantly impaired the production of infectious virions in HS-cultured cells. These results suggest that in addition to a known role of choline kinase, the transport of choline, potentially via CTL1, might also represent an important and regulated process during HCV infection. Abstract Figure

Abstract Activation of the transcription factor liver X receptor (LXR), has shown to be efficient at curbing aberrant lipid metabolism and inflammation. While small molecule delivery via nanomedicine has promising applications for a number of chronic diseases, there remain questions as to how nanoparticle formulation might be tailored to suit different tissue microenvironments and aid in drug delivery. In the current study, we compared the drug delivery capability of three nanoparticle (NP) formulations encapsulating the LXR activator, GW-3956. We observed little difference in the base characteristics of standard PLGA-PEG NP when compared to two redox-active polymeric NP formulations (DD and DB). Moreover, we also observed similar uptake of these NP into primary mouse macrophages. After an initial acute uptake period and using the transcript and protein expression of the cholesterol efflux protein ATP binding cassette A1 (ABCA1) as a readout, we determined that while the induction of transcript expression was similar between NPs, treatment with the redox-sensitive DB formulation resulted in a higher level of ABCA1 protein 24 h after the removal of the drug-containing NPs. Our results suggest that NP formulations responsive to cellular cues may be an effective tool for targeted and disease-specific drug release.

Abstract Objective The dysregulation of myeloid-derived cell metabolism can drive atherosclerosis. AMP-activated protein kinase (AMPK) controls various aspects of macrophage dynamics and lipid homeostasis, which are important during atherogenesis. Approach and Results We aimed to clarify the role of myeloid-specific AMPK signaling by using LysM-Cre to drive the deletion of both the α1 and α2 catalytic subunits (MacKO), in male and female mice made acutely atherosclerotic by PCSK9-AAV and Western diet-feeding. After 6 weeks of Western diet feeding, half received daily injection of either the AMPK activator, A-769662 or a vehicle control for a further 6 weeks. After 12 weeks, myeloid cell populations were not different between genotype or sex. Similarly, aortic sinus plaque size, lipid staining and necrotic area were not different in male and female MacKO mice compared to their littermate floxed controls. Moreover, therapeutic intervention with A-769662 had no effect. There were no differences in the amount of circulating total cholesterol or triglyceride, and only minor differences in the levels of inflammatory cytokines between groups. Finally, CD68+ area or markers of autophagy showed no effect of either lacking AMPK signaling or systemic AMPK activation. Conclusions Our data suggest that while defined roles for each catalytic AMPK subunit have been identified, global deletion of myeloid AMPK signaling does not significantly impact atherosclerosis. Moreover, we show that intervention with the first-generation AMPK activator, A-769662, was not able to stem the progression of atherosclerosis. Highlights - The deletion of both catalytic subunits of AMPK in myeloid cells has no significant effect on the progression of atherosclerosis in either male or female mice - Therapeutic delivery of a first-generation AMPK activator (A-769662) for the last 6 weeks of 12-week study had no beneficial effect in either male or female mice - Studying total AMPK deletion may mask specific effects of each isoform and highlights the need for targeted disruption of AMPK phosphorylation sites via knock-in mutations, rather than the traditional “sledgehammer” knockout approach

OPA1 is an inner mitochondrial membrane protein that mediates diverse signaling processes. OPA1 is important for cardiac function and protects against cardiac insults such as ischemia reperfusion injury. We sought to further assess OPA1 in human and mouse cardiac pathologies, hypothesizing that OPA1 may also function in a protective manner in chronic heart failure. Bioinformatic analyses of histological and transcript data from the GTEx database indicated that OPA1 expression levels vary in the human heart, where elevated OPA1 transcript levels were correlated with fatty acid, branch chain amino acid and contractile gene signatures. To experimentally assess these correlations, mice with a 1.5-fold whole body OPA1 overexpression (OPA1-OE) were subjected to transverse aortic constriction surgery and displayed improved 2D and 4D cardiac functional parameters compared to WT mice. OPA1-OE mice had no induction of fibrotic transcript markers and displayed sustained transcript levels of fatty acid, branch chain amino acid and contractile markers. Maximal oxidative capacity was sustained in both WT and OPA1-OE cardiac myofibers post-TAC. These results further demonstrate the important role of OPA1 in mediating cardiac function and highlight protective signaling pathways.

Abstract Type 2 cytokines like IL-4 are hallmarks of helminth infection and activate macrophages to limit immunopathology and mediate helminth clearance. In addition to cytokines, nutrients and metabolites critically influence macrophage polarization. Choline is an essential nutrient known to support normal macrophage responses to lipopolysaccharide; however, its function in macrophages polarized by type 2 cytokines is unknown. Using murine IL-4-polarized macrophages, targeted lipidomics revealed significantly elevated levels of phosphatidylcholine, with select changes to other choline-containing lipid species. These changes were supported by the coordinated upregulation of choline transport compared to naïve macrophages. Pharmacological inhibition of choline metabolism significantly suppressed several mitochondrial transcripts and dramatically inhibited select IL-4-responsive transcripts, most notably, Retnla . We further confirmed that blocking choline metabolism diminished IL-4-induced RELMα (encoded by Retnla ) protein content and secretion and caused a dramatic reprogramming toward glycolytic metabolism. To better understand the physiological implications of these observations, naïve or mice infected with intestinal helminths Heligmosomoides polygyrus or Nippostrongylus brasiliensis were treated with the choline kinase α inhibitor, RSM-932A, to limit choline metabolism in vivo . Pharmacological inhibition of choline metabolism lowered RELMα expression across cell-types and tissues and led to the disappearance of peritoneal macrophages and B-1 lymphocytes and an influx of infiltrating monocytes. The impaired macrophage activation was associated with some loss in optimal immunity to H. polygyrus with increased egg burden, but there were no differences in intestinal worm count nor differences in N. brasiliensis parasite burden. Together, these data demonstrate that choline metabolism is required for macrophage RELMα induction, metabolic programming, and peritoneal immune homeostasis, which could have important implications in the context of other models of infection or cancer immunity. Abstract Figure

ABSTRACT The dysregulation of macrophage lipid metabolism drives atherosclerosis. AMP-activated protein kinase (AMPK) is a master regulator of cellular energetics and plays essential roles regulating macrophage lipid dynamics. Here, we investigated the consequences of atherogenic lipoprotein-induced foam cell formation on downstream immunometabolic signaling in primary mouse macrophages. A variety of atherogenic low-density lipoproteins (acetylated, oxidized and aggregated forms) activated AMPK signaling in a manner that was in part, due to CD36 and calcium-related signaling. In quiescent macrophages, basal AMPK signaling was crucial for maintaining markers of lysosomal homeostasis, as well as levels of key components in the lysosomal expression and regulation network. Moreover, AMPK activation resulted in targeted up-regulation of members of this network via transcription factor EB. However, in lipid-induced macrophage foam cells, neither basal AMPK signaling nor its activation affected lysosomal-associated programs. These results suggest that while the sum of AMPK signaling in cultured macrophages may be anti-atherogenic, atherosclerotic input dampens the regulatory capacity of AMPK signaling.