The hypothesis that leptin (OB protein) acts in the hypothalamus to reduce food intake and body weight is based primarily on evidence from leptin-deficient, ob/ob mice. To investigate whether leptin exerts similar effects in normal animals, we administered leptin intracerebroventricularly (icv) to Long-Evans rats. Leptin administration (3.5 microg icv) at the onset of nocturnal feeding reduced food intake by 50% at 1 h and by 42% at 4 h, as compared with vehicle-treated controls (both P < 0.05). To investigate the basis for this effect, we used in situ hybridization (ISH) to determine whether leptin alters expression of hypothalamic neuropeptides involved in energy homeostasis. Two injections of leptin (3.5 microg icv) during a 40 h fast significantly decreased levels of mRNA for neuropeptide Y (NPY, which stimulates food intake) in the arcuate nucleus (-24%) and increased levels of mRNA for corticotrophin releasing hormone (CRH, an inhibitor of food intake) in the paraventricular nucleus (by 38%) (both P < 0.05 vs. vehicle-treated controls). To investigate the anatomic basis for these effects, we measured leptin receptor gene expression in rat brain by ISH using a probe complementary to mRNA for all leptin receptor splice variants. Leptin receptor mRNA was densely concentrated in the arcuate nucleus, with lower levels present in the ventromedial and dorsomedial hypothalamic nuclei and other brain areas involved in energy balance. These findings suggest that leptin action in rat hypothalamus involves altered expression of key neuropeptide genes, and implicate leptin in the hypothalamic response to fasting.

The mammalian Target of Rapamycin (mTOR) protein is a serine-threonine kinase that regulates cell-cycle progression and growth by sensing changes in energy status. We demonstrated that mTOR signaling plays a role in the brain mechanisms that respond to nutrient availability, regulating energy balance. In the rat, mTOR signaling is controlled by energy status in specific regions of the hypothalamus and colocalizes with neuropeptide Y and proopiomelanocortin neurons in the arcuate nucleus. Central administration of leucine increases hypothalamic mTOR signaling and decreases food intake and body weight. The hormone leptin increases hypothalamic mTOR activity, and the inhibition of mTOR signaling blunts leptin's anorectic effect. Thus, mTOR is a cellular fuel sensor whose hypothalamic activity is directly tied to the regulation of energy intake.

Correction of the obese state induced by genetic leptin deficiency reduces elevated levels of both blood glucose and hypothalamic neuropeptide Y (NPY) mRNA in ob/ob mice. To determine whether these responses are due to a specific action of leptin or to the reversal of the obese state, we investigated the specificity of the effect of systemic leptin administration to ob/ob mice (n = 8) on levels of plasma glucose and insulin and on hypothalamic expression of NPY mRNA. Saline-treated controls were either fed ad libitum (n = 8) or pair-fed to the intake of the leptin-treated group (n = 8) to control for changes of food intake induced by leptin. The specificity of the effect of leptin was further assessed by 1) measuring NPY gene expression in db/db mice (n = 6) that are resistant to leptin, 2) measuring NPY gene expression in brain areas outside the hypothalamus, and 3) measuring the effect of leptin administration on hypothalamic expression of corticotropin-releasing hormone (CRH) mRNA. Five daily intraperitoneal injections of recombinant mouse leptin (150 μg) in ob/ob mice lowered food intake by 56% (P &lt; 0.05), body weight by 4.1% (P &lt; 0.05), and levels of NPY mRNA in the hypothalamic arcuate nucleus by 42.3% (P &lt; 0.05) as compared with saline-treated controls. Pair-feeding of ob/ob mice to the intake of leptin-treated animals produced equivalent weight loss, but did not alter expression of NPY mRNA in the arcuate nucleus. Leptin administration was also without effect on food intake, body weight, or NPY mRNA levels in the arcuate nucleus of db/db mice. In ob/ob mice, leptin did not alter NPY mRNA levels in cerebral cortex or hippocampus or the expression of CRH mRNA in the hypothalamic paraventricular nucleus (PVN). Leptin administration to ob/ob mice also markedly reduced serum glucose (8.3 ± 1.2 vs. 24.5 ± 3.8 mmol/l; P &lt; 0.01) and insulin levels (7,263 ± 1,309 vs. 3,150 ± 780 pmol/l), but was ineffective in db/db mice. Pair-fed mice experienced reductions of glucose and insulin levels that were &lt; 60% of the reduction induced by leptin. The results suggest that in ob/ob mice, systemic administration of leptin inhibits NPY gene overexpression through a specific action in the arcuate nucleus and exerts a hypoglycemic action that is partly independent of its weight-reducing effects. Furthermore, both effects occur before reversal of the obesity syndrome. Defective leptin signaling due to either leptin deficiency (in ob/ob mice) or leptin resistance (in db/db mice) therefore leads directly to hyperglycemia and the overexpression of hypothalamic NPY that is implicated in the pathogenesis of the obesity syndrome.

Bariatric surgical procedures, such as vertical sleeve gastrectomy (VSG), are at present the most effective therapy for the treatment of obesity, and are associated with considerable improvements in co-morbidities, including type-2 diabetes mellitus. The underlying molecular mechanisms contributing to these benefits remain largely undetermined, despite offering the potential to reveal new targets for therapeutic intervention. Substantial changes in circulating total bile acids are known to occur after VSG. Moreover, bile acids are known to regulate metabolism by binding to the nuclear receptor FXR (farsenoid-X receptor, also known as NR1H4). We therefore examined the results of VSG surgery applied to mice with diet-induced obesity and targeted genetic disruption of FXR. Here we demonstrate that the therapeutic value of VSG does not result from mechanical restriction imposed by a smaller stomach. Rather, VSG is associated with increased circulating bile acids, and associated changes to gut microbial communities. Moreover, in the absence of FXR, the ability of VSG to reduce body weight and improve glucose tolerance is substantially reduced. These results point to bile acids and FXR signalling as an important molecular underpinning for the beneficial effects of this weight-loss surgery. Bariatric surgical procedures, such as vertical sleeve gastrectomy (VSG), are the most effective therapy for the treatment of obesity; now bile acids, and the presence of the nuclear bile acid receptor FXR, are shown to underpin the mechanism of VSG action, and the ability of VSG to reduce body weight and improve glucose tolerance is substantially reduced if FXR is absent. The use and misuse of invasive surgery to control obesity and related conditions is much debated. Whatever its merits, the associated costs and risks mean that it is inappropriate in many cases. This study challenges the notion that such surgery elicits weight loss solely by making it physically difficult to consume or absorb calories, and raises the prospect that it may be possible to develop therapies that achieve the same ends without the need for a scalpel. Vertical sleeve gastrectomy (VSG), in which some 80% of the stomach is removed to create a gastric 'sleeve' contiguous with the oesophagus and duodenum, is known to induce loss of body weight and fat mass, and improves glucose tolerance in humans and rodents. Randy Seeley and colleagues show here that the therapeutic effect of VSG in mice arises not from the mechanical restrictions of a smaller stomach but from the associated increase in the levels of circulating bile acids and changes to gut microbial communities. Moreover, in the absence of nuclear bile acid receptor FXR, the ability of VSG to reduce body weight and improve glucose tolerance is substantially reduced.

Melanocortins are peptides, cleaved from the pro-opiomelanocortin (POMC) precursor, that act in the brain to reduce food intake and are potential mediators of leptin action. In the forebrain, melanocortins are derived from POMC-containing neurons of the hypothalamic arcuate nucleus. To test the hypothesis that these POMC neurons are regulated by leptin, we used in situ hybridization to determine whether reduced leptin signaling (as occurs in fasting), genetic leptin deficiency (in obese ob/ob mice), or genetic leptin resistance (in obese db/db mice) lower expression of POMC mRNA. We further hypothesized that leptin administration would raise hypothalamic POMC mRNA levels in leptin-deficient animals, but not in mice with defective leptin receptors. In wild-type mice (n = 12), fasting for 48 h lowered POMC mRNA levels in the rostral arcuate nucleus by 53%, relative to values in fed controls (n = 8; P &lt; 0.001). Similarly, arcuate nucleus POMC mRNA levels were reduced by 46 and 70% in genetically obese ob/ob (n = 6) and db/db mice (n = 6), respectively, as compared with wild-type mice (n = 5) (P &lt; 0.01 for both comparisons). Five daily intraperitoneal injections of recombinant murine leptin (150 μg) raised levels of POMC mRNA in the rostral arcuate nucleus of ob/ob mice (n = 8) by 73% over saline-treated ob/ob control values (n = 8; P &lt; 0.01), but was without effect in db/db mice (n = 6). In normal rats, two injections of a low dose of leptin (3.5 μg) into the third cerebral ventricle (n = 15) during a 40-h period of fasting also increased POMC mRNA levels in the rostral arcuate nucleus to values 39% greater than those in vehicle-treated controls (n = 14; P = 0.02). We conclude that reduced central nervous system leptin signaling owing to fasting or to genetic defects in leptin or its receptor lower POMC mRNA levels in the rostral arcuate nucleus. The finding that leptin reverses this effect in ob/ob, but not db/db, mice suggests that leptin stimulates arcuate nucleus POMC gene expression via a pathway involving leptin receptors. These findings support the hypothesis that leptin signaling in the brain involves activation of the hypothalamic melanocortin system.

Untested alternative weight loss diets, such as very low carbohydrate diets, have unsubstantiated efficacy and the potential to adversely affect cardiovascular risk factors. Therefore, we designed a randomized, controlled trial to determine the effects of a very low carbohydrate diet on body composition and cardiovascular risk factors. Subjects were randomized to 6 months of either an ad libitum very low carbohydrate diet or a calorie-restricted diet with 30% of the calories as fat. Anthropometric and metabolic measures were assessed at baseline, 3 months, and 6 months. Fifty-three healthy, obese female volunteers (mean body mass index, 33.6 +/- 0.3 kg/m(2)) were randomized; 42 (79%) completed the trial. Women on both diets reduced calorie consumption by comparable amounts at 3 and 6 months. The very low carbohydrate diet group lost more weight (8.5 +/- 1.0 vs. 3.9 +/- 1.0 kg; P < 0.001) and more body fat (4.8 +/- 0.67 vs. 2.0 +/- 0.75 kg; P < 0.01) than the low fat diet group. Mean levels of blood pressure, lipids, fasting glucose, and insulin were within normal ranges in both groups at baseline. Although all of these parameters improved over the course of the study, there were no differences observed between the two diet groups at 3 or 6 months. beta- Hydroxybutyrate increased significantly in the very low carbohydrate group at 3 months (P = 0.001). Based on these data, a very low carbohydrate diet is more effective than a low fat diet for short-term weight loss and, over 6 months, is not associated with deleterious effects on important cardiovascular risk factors in healthy women.

Ghrelin is the endogenous ligand for the growth hormone secretagogue receptor (GHSR; ghrelin receptor). Since its discovery, accumulating evidence has suggested that ghrelin may play a role in signaling and reversing states of energy insufficiency. For example, ghrelin levels rise following food deprivation, and ghrelin administration stimulates feeding and increases body weight and adiposity. However, recent loss-of-function studies have raised questions regarding the physiological significance of ghrelin in regulating these processes. Here, we present results of a study using a novel GHSR-null mouse model, in which ghrelin administration fails to acutely stimulate food intake or activate arcuate nucleus neurons. We show that when fed a high-fat diet, both female and male GHSR-null mice eat less food, store less of their consumed calories, preferentially utilize fat as an energy substrate, and accumulate less body weight and adiposity than control mice. Similar effects on body weight and adiposity were also observed in female, but not male, GHSR-null mice fed standard chow. GHSR deletion also affected locomotor activity and levels of glycemia. These findings support the hypothesis that ghrelin-responsive pathways are an important component of coordinated body weight control. Moreover, our data suggest that ghrelin signaling is required for development of the full phenotype of diet-induced obesity.

The prevalence of obesity is increasing. Although the etiology of obesity is complex, dietary factors, particularly the consumption of a high-fat (HF) diet, is considered a risk factor for its development. Nonetheless, a causal role of dietary fat has never been definitively documented, in part because of inadequate animal models. We developed a rat model of diet-induced obesity that will be a powerful tool for assessment of this issue. In four experiments, Long-Evans rats ate ad libitum a synthetic semipurified diet containing 20 g (HF) or 4 g [low-fat (LF)] of fat/100 g of diet or a nonpurified diet. Other rats ate ad libitum the HF diet in amounts matched to the energy intake of the LF rats. When compared over 10 wk of free feeding, HF rats weighed 10% more (P < 0.01) than LF rats and had 50% more body fat (P < 0.01), as well as significant hyperleptinemia and insulin resistance. Compared with rats fed the nonpurified diet, the HF rats had even more marked differences in these variables. The rats fed the HF diet to match the rats fed the LF diet had similar body weights but significantly more adipose tissue than LF rats, suggesting that diet composition and/or energy density of the diet affects fat deposition. This dietary regimen has reproducible effects on body size and composition, and these are similar in male and female rats. This model of diet-induced obesity will be a useful tool for studying the mechanisms by which dietary fat influences the regulation of energy balance.

In peripheral tissues, insulin signaling involves activation of the insulin receptor substrate (IRS)-phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) enzyme system. In the hypothalamus, insulin functions with leptin as an afferent adiposity signal important for the regulation of body fat stores and hepatic glucose metabolism. To test the hypothesis that hypothalamic insulin action involves intracellular PI3K signaling, we used histochemical and biochemical methods to determine the effect of insulin on hypothalamic IRS-PI3K activity. Here, we report that insulin induces tyrosine phosphorylation of the insulin receptor and IRS-1 and -2, increases binding of activated IRS-1 and -2 to the regulatory subunit of PI3K, and activates protein kinase B/Akt, a downstream target of PI3K. Using an immunohistochemical technique to detect PI 3,4,5-triphosphate, the main product of PI3K activity, we further demonstrate that in the arcuate nucleus, insulin-induced PI3K activity occurs preferentially within cells that contain IRS-2. Finally, we show that the food intake- lowering effects of insulin are reversed by intracerebroventricular infusion of either of two PI3K inhibitors at doses that have no independent feeding effects. These findings support the hypothesis that the IRS-PI3K pathway is a mediator of insulin action in the arcuate nucleus and, combined with recent evidence that leptin activates PI3K signaling in the hypothalamus, provide a plausible mechanism for neuronal cross-talk between insulin and leptin signaling.