Abstract Obesity is primarily a consequence of consuming calories beyond energetic requirements, but underpinning drivers have not been fully defined. 5-Hydroxytryptamine (5-HT) neurons in the dorsal Raphe nucleus (5-HT DRN ) regulate different types of feeding behavior, such as eating to cope with hunger or for pleasure. Here, we observed that activation of 5-HT DRN to hypothalamic arcuate nucleus (5-HT DRN → ARH) projections inhibits food intake driven by hunger via actions at ARH 5-HT 2C and 5-HT 1B receptors, whereas activation of 5-HT DRN to ventral tegmental area (5-HT DRN → VTA) projections inhibits non-hunger-driven feeding via actions at 5-HT 2C receptors. Further, hunger-driven feeding gradually activates ARH-projecting 5-HT DRN neurons via inhibiting their responsiveness to inhibitory GABAergic inputs; non-hunger-driven feeding activates VTA-projecting 5-HT DRN neurons through reducing a potassium outward current. Thus, our results support a model whereby parallel circuits modulate feeding behavior either in response to hunger or to hunger-independent cues.

Thermogenic beige adipocytes are recognized as potential therapeutic targets for combating metabolic diseases. However, the metabolic advantages that they offer are compromised with aging. Here we show that treating mice with estrogen (E2), a hormone that decreases with age, can counteract the age-related decline in beige adipogenesis when exposed to cold temperature while concurrently enhancing energy expenditure and improving glucose tolerance in mice. Mechanistically, we found that nicotinamide phosphoribosyl transferase (NAMPT) plays a pivotal role in facilitating the formation of E2-induced beige adipocytes, which subsequently suppresses the onset of age-related endoplasmic reticulum (ER) stress. Furthermore, we found that targeting NAMPT signaling, either genetically or pharmacologically, can restore the formation of beige adipocytes by increasing the number of perivascular adipocyte progenitor cells. Conversely, the absence of NAMPT signaling prevents this process. Together, our findings shed light on the mechanisms regulating the age-dependent impairment of beige adipocyte formation and underscore the E2-NAMPT-controlled ER stress pathway as a key regulator of this process. Thermogenic beige adipose tissue can enhance energy expenditure and improve metabolism, but its formation declines with age. Park, Hu et al. show that replenishing estrogen can restore cold-induced beige adipogenesis by regulating NAMPT-controlled ER stress.

Summary The ovarian hormone estrogens promote binge alcohol drinking and contribute to sex differences in alcohol use disorder. However, the mechanisms for estrogen-induced binge drinking are largely unknown. This study aims to test if estrogens act on 5-hydroxytryptamine neurons in the dorsal raphe nucleus (5-HT DRN ) to promote binge drinking. We used the drinking in the dark (DID) behavioral test in mice to mimic binge drinking in humans. We found that female mice drank more alcohol than male mice in chronic DID tests. This sex difference was associated with distinct alterations in mRNA expression of estrogen receptor α (ERα) and 5-HT-related genes in the DRN, suggesting a potential role of estrogen/ERs/5-HT signaling in binge alcohol drinking. In supporting this view, 5-HT DRN neurons from naïve male mice had lower baseline neuronal firing activity but higher sensitivity to alcohol-induced excitation compared to 5-HT DRN neurons from naïve female mice. Notably, this higher sensitivity was blunted by 17β-estradiol treatment in males, indicating an estrogen-dependent mechanism. We further showed that both ERα and ERβ are expressed in 5-HT DRN neurons, whereas ERα agonist propyl pyrazole triol (PPT) depolarizes 5-HT DRN neurons and ERβ agonist diarylpropionitrile (DPN) hyperpolarizes 5-HT DRN neurons. Notably, both PPT and DPN treatments blocked the stimulatory effects of alcohol on 5-HT DRN neurons in males, despite the fact that they have antagonistic effects on the activity dynamics of 5-HT DRN neurons. These results suggest that ERs’ inhibitory effects on ethanol-induced burst firing of 5-HT DRN neurons may contribute to higher levels of binge drinking in females. Consistently, chemogenetic activation of ERα- or ERβ-expressing neurons in the DRN reduced binge alcohol drinking. These results support a model in which estrogens act on ERα/β to prevent alcohol-induced activation of 5-HT DRN neurons, which in return leads to higher binge alcohol drinking.

There is a regional preference around lymph nodes (LNs) for adipose beiging. Here, we show that local LN removal within inguinal white adipose tissue (iWAT) greatly impairs cold-induced beiging, and this impairment can be restored by injecting M2 macrophages or macrophage-derived C-C motif chemokine (CCL22) into iWAT. CCL22 injection into iWAT effectively promotes iWAT beiging, while blocking CCL22 with antibodies can prevent it. Mechanistically, the CCL22 receptor, C-C motif chemokine receptor 4 (CCR4), within eosinophils and its downstream focal adhesion kinase/p65/interleukin-4 signaling are essential for CCL22-mediated beige adipocyte formation. Moreover, CCL22 levels are inversely correlated with body weight and fat mass in mice and humans. Acute elevation of CCL22 levels effectively prevents diet-induced body weight and fat gain by enhancing adipose beiging. Together, our data identify the CCL22-CCR4 axis as an essential mediator for LN-controlled adaptive thermogenesis and highlight its potential to combat obesity and its associated complications.

SUMMARY A potential therapeutic target to curb the obesity and diabetes epidemic is thermogenic beige adipocytes. However, beige adipocytes quickly transition into white adipocytes upon removing stimuli. Here, we define the critical role of Cdkn2a as a molecular pedal for the beige-to-white transition. Beige adipocytes lacking Cdkn2a exhibit prolonged lifespan, and mice are more resistant to diet-induced obesity, along with enhanced energy expenditure and improved glucose tolerance. Mechanistic studies demonstrate that Cdkn2a promotes the expression and activity of BECN1 by directly binding to its mRNA and its negative regulator BCL2L1, activating autophagy and accelerating the beige-to-white transition. Notably, reactivating autophagy by pharmacological or genetic methods abolishes beige adipocyte maintenance induced by Cdkn2a -ablation. Furthermore, hyperactive BECN1 alone significantly accelerates the beige-to-white transition. Collectively, these findings show that Cdkn2a -mediated autophagy serves as a brake system for beige adipocyte maintenance and is a highly promising target for anti-obesity and anti-diabetes therapy. Highlights Cdkn2a ablation promotes beige fat maintenance and ameliorates diet-induced obesity Loss of Cdkn2a retains beige adipocytes by inhibiting BECN1-mediated autophagy Cdkn2a modulates BECN1 by binding to its mRNA and its inhibitor BCL2L1, respectively Hyperactive BECN1 is sufficient to accelerate the beige-to-white transition

Abstract Thermogenic beige adipocytes are recognized as potential therapeutic targets for combating metabolic diseases. However, the metabolic advantages they offer are compromised with aging. Here, we show that treating mice with estrogen (E2), a hormone that decreases with age, to mice can counteract the aging- related decline in beige adipocyte formation when subjected to cold, while concurrently enhancing energy expenditure and improving glucose tolerance. Mechanistically, we find that nicotinamide phosphoribosyltranferase (NAMPT) plays a pivotal role in facilitating the formation of E2-induced beige adipocytes, which subsequently suppresses the onset of age-related ER stress. Furthermore, we found that targeting NAMPT signaling, either genetically or pharmacologically, can restore the formation of beige adipocytes by increasing the number of perivascular adipocyte progenitor cells. Conversely, the absence of NAMPT signaling prevents this process. In conclusion, our findings shed light on the mechanisms governing the age-dependent impairment of beige adipocyte formation and underscore the E2-NAMPT controlled ER stress as a key regulator of this process. Highlights Estrogen restores beige adipocyte failure along with improved energy metabolism in old mice. Estrogen enhances the thermogenic gene program by mitigating age-induced ER stress. Estrogen enhances the beige adipogenesis derived from SMA+ APCs. Inhibiting the NAMPT signaling pathway abolishes estrogen-promoted beige adipogenesis.

Introduction: Beige adipocytes hold therapeutic promise for obese and diabetic patients. Beige adipocytes can be generated from tissue-residing beige progenitors (APCs) in response to cold temperatures preferably around lymph nodes (LN), suggesting that there are unique LN-derived signals controlling beige adipocyte generation. Methods: CCR4 KO mice (spCas9 mice were injected with AAV8-CCR4-sgRNA into biolateral inguinal adipose tissue) were generated on a C57BL/6 background. Stromal vascular cells were isolated and differentiated into beige adipocytes for in vitro studies. Flow cytometer analysis were conducted for sorting and identifying immune cells. Results: Here, we show that local LN removal greatly impairs cold-induced beiging, and this impairment can be restored by injecting M2 macrophages or macrophage-derived chemokine C-C motif ligand 22 (CCL22) into iWAT. Mechanistically, cold exposure increases the level of CCL22, which binds to its receptor C-C chemokine motif receptor 4 (CCR4), and then promotes beiging. Furthermore, CCL22 levels are inversely correlated with body weight and fat mass, and elevated CCL22 levels prevent diet-induced obesity along with increased energy expenditure in mice and humans. Conclusion: The results suggest that beige adipogenesis around the inguinal LNs of white adipose tissues depends on the CCL22-CCR4 signaling. Our findings underline the potential of targeting the CCL22-CCR4 axis to counter obesity and its associated health complications.

Beneficial effects of resistance exercise on metabolic health and particularly muscle hypertrophy and fat loss are well established, but the underlying chemical and physiological mechanisms are not fully understood. Here we identified a myometabolite-mediated metabolic pathway that is essential for the beneficial metabolic effects of resistance exercise in vivo. We showed that substantial accumulation of the tricarboxylic acid cycle intermediate α-ketoglutaric acid (AKG) is a metabolic signature of resistance exercise performance. Interestingly, human plasma AKG level is also negatively correlated with BMI. Pharmacological elevation of circulating AKG induces muscle hypertrophy, brown adipose tissue (BAT) thermogenesis, and white adipose tissue (WAT) lipolysis in vivo. We further found that AKG stimulates the adrenal release of adrenaline through 2-oxoglutarate receptor 1 (OXGR1) expressed in adrenal glands. Finally, by using both loss-of-function and gain-of-function mouse models, we showed that OXGR1 is essential for AKG-mediated exercise-induced beneficial metabolic effects. These findings reveal an unappreciated mechanism for the salutary effects of resistance exercise, using AKG as a systemically-derived molecule for adrenal stimulation of muscle hypertrophy and fat loss.

Oxysterols are metabolites of cholesterol that regulate cholesterol homeostasis. Among these, the most abundant oxysterol is 27-hydroxycholesterol (27HC), which can cross the blood-brain barrier. Because 27HC functions as an endogenous selective estrogen receptor modulator, we hypothesize that 27HC binds to the estrogen receptor α (ERα) in the brain to regulate energy balance. Supporting this view, we found that delivering 27HC to the brain reduced food intake and activated proopiomelanocortin (POMC) neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus (POMC ARH ) in an ERα-dependent manner. In addition, we observed that inhibiting brain ERα, deleting ERα in POMC neurons, or chemogenetic inhibition of POMC ARH neurons blocked the anorexigenic effects of 27HC. Mechanistically, we further revealed that 27HC stimulates POMC ARH neurons by inhibiting the small conductance of the calcium-activated potassium (SK) channel. Together, our findings suggest that 27HC, through its interaction with ERα and modulation of the SK channel, inhibits food intake as a negative feedback mechanism against a surge in circulating cholesterol.

Background: Inwardly Rectifying Potassium Channel 2.1 (Kir2.1) plays a role in the maintenance of membrane potential and is strongly suppressed by membrane cholesterol and diet-induced hypercholesterolemia. Specifically, Kir2.1 is critical for flow-induced vasodilation in mice. To determine the role of cholesterol-induced suppression of Kir2.1 channels in weight maintenance and energy metabolism under high fat diet (HFD) conditions, we generated a CRISPR mouse expressing a cholesterol-insensitive Kir2.1 mutant, Kir2.1 L222I . Objective: In this study, we demonstrate that Kir2.1 L222I has a protective effect against diet induced obesity, induces changes in mesenteric metabolism, and increased respiratory rate. Methods: C57/BL6J (WT) male mice with the Kir2.1 L222I mutation were fed HFD and weighed after 15 weeks. Mouse feeding was assessed using BioDaq and nuclear magnetic resonance (NMR) determined body composition. Techniplast and iWorx metabolic cages were used for fecal and respiratory analysis. Metabolomic analysis was done on mesentery. Results: Initially, WT (n=6) and Kir2.1 L222I (n=7) male mice weighed the same. After 15 weeks on HFD Kir2.1 L222I mice weighed 16% less than WT mice (p=0.003). Kir2.1 L222I mice also had improved body composition with lean-to-fat ratio a statistically significant 69% greater than WT. Changes in body mass do not depend on feeding behavior as there was no difference between Kir2.1 L222I (n=8) and WT (n=6). The Kir2.1 L222I mice do not excrete more feces than WT (n=5) in terms of weight or caloric content. Kir2.1 L222I mice have increased respiration compared to WT as their exchange rate was a statistically significant 14% higher indicating that Kir2.1 L222I mice burn more calories through respiration. Metabolomic pathway analysis did not identify any changes in carbohydrate or mitochondrial metabolism. However, it identified changes in amino acid and lipid metabolism, specifically, methionine and choline metabolites. Conclusions: The Kir2.1 L222I mutation is protective against weight gain and associated changes in body composition in male mice up to 3 months on diet. Increased respiration may explain this protection. Metabolomics indicated an increase in Akt-dependent amino acid and lipid metabolism.