While activation of beige thermogenesis is a promising approach for treatment of obesity-associated diseases, there are currently no known pharmacological means of inducing beiging in humans. Intermittent fasting is an effective and natural strategy for weight control, but the mechanism for its efficacy is poorly understood. Here, we show that an every-other-day fasting (EODF) regimen selectively stimulates beige fat development within white adipose tissue and dramatically ameliorates obesity, insulin resistance, and hepatic steatosis. EODF treatment results in a shift in the gut microbiota composition leading to elevation of the fermentation products acetate and lactate and to the selective upregulation of monocarboxylate transporter 1 expression in beige cells. Microbiota-depleted mice are resistance to EODF-induced beiging, while transplantation of the microbiota from EODF-treated mice to microbiota-depleted mice activates beiging and improves metabolic homeostasis. These findings provide a new gut-microbiota-driven mechanism for activating adipose tissue browning and treating metabolic diseases.

Highlights•Ketogenic diets (KDs) alter the gut microbiota in a manner distinct from high-fat diets•Gut microbial shifts on KDs are driven in part through host production of ketone bodies•β-hydroxybutyrate selectively inhibits bifidobacterial growth•The KD-associated gut microbiota reduces levels of intestinal Th17 cellsSummaryVery low-carbohydrate, high-fat ketogenic diets (KDs) induce a pronounced shift in metabolic fuel utilization that elevates circulating ketone bodies; however, the consequences of these compounds for host-microbiome interactions remain unknown. Here, we show that KDs alter the human and mouse gut microbiota in a manner distinct from high-fat diets (HFDs). Metagenomic and metabolomic analyses of stool samples from an 8-week inpatient study revealed marked shifts in gut microbial community structure and function during the KD. Gradient diet experiments in mice confirmed the unique impact of KDs relative to HFDs with a reproducible depletion of bifidobacteria. In vitro and in vivo experiments showed that ketone bodies selectively inhibited bifidobacterial growth. Finally, mono-colonizations and human microbiome transplantations into germ-free mice revealed that the KD-associated gut microbiota reduces the levels of intestinal pro-inflammatory Th17 cells. Together, these results highlight the importance of trans-kingdom chemical dialogs for mediating the host response to dietary interventions.Graphical abstract

Exposure to persistent organic pollutants (POPs) and disruptions in the gastrointestinal microbiota have been positively correlated with a predisposition to factors such as obesity, metabolic syndrome, and type 2 diabetes; however, it is unclear how the microbiome contributes to this relationship.

Diet can protect from autoimmune disease; however, whether diet acts via the host and/or microbiome remains unclear. Here, we use a ketogenic diet (KD) as a model to dissect these complex interactions. A KD rescued the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model of multiple sclerosis in a microbiota-dependent fashion. Dietary supplementation with a single KD-dependent host metabolite (β-hydroxybutyrate, βHB) rescued EAE whereas transgenic mice unable to produce βHB in the intestine developed more severe disease. Transplantation of the βHB-shaped gut microbiota was protective.