Hyperinsulinemia is associated with obesity and pancreatic islet hyperplasia, but whether insulin causes these phenomena or is a compensatory response has remained unsettled for decades. We examined the role of insulin hypersecretion in diet-induced obesity by varying the pancreas-specific Ins1 gene dosage in mice lacking Ins2 gene expression in the pancreas, thymus, and brain. Age-dependent increases in fasting insulin and β cell mass were absent in Ins1+/−:Ins2−/− mice fed a high-fat diet when compared to Ins1+/+:Ins2−/− littermate controls. Remarkably, Ins1+/−:Ins2−/− mice were completely protected from diet-induced obesity. Genetic prevention of chronic hyperinsulinemia in this model reprogrammed white adipose tissue to express uncoupling protein 1 and increase energy expenditure. Normalization of adipocyte size and activation of energy expenditure genes in white adipose tissue was associated with reduced inflammation, reduced fatty acid spillover, and reduced hepatic steatosis. Thus, we provide genetic evidence that pathological circulating hyperinsulinemia drives diet-induced obesity and its complications.

Hyperinsulinemia plays a causal role in adipose tissue expansion. Mice with reduced insulin have increased energy expenditure, but the mechanisms remained unclear. Here we investigated the effects of genetically reducing insulin production on uncoupling and oxidative mitochondrial proteins in liver, skeletal muscle, white adipose tissue (WAT), and brown adipose tissue (BAT). Male Ins1 +/+ or Ins1 +/- littermates were fed either a low-fat diet (LFD) or a high-fat diet (HFD) for 4 weeks, starting at 8 weeks of age. As expected, HFD increased fasting hyperinsulinemia, and Ins1 +/- mice had significantly lower circulating insulin compared with Ins1 +/+ littermates. Fasting glucose and body weight were not different between genotypes. We did not observe significant differences in liver in skeletal muscle. In mesenteric WAT, Ins1 +/- mice had reduced Ndufb8 and Sdhb. Ucp1 was increased in the context of the HFD, and HFD alone had a dramatic inhibitory effect on Pparg abundance. In inguinal WAT, Ins1 +/- mice exhibited significant increases in oxidative complex proteins, independent of diet, without affecting Ucp1, Pparg, or Prdm16:Pparg association. In BAT, lowered insulin increased Sdhb protein levels that had been reduced by HFD. Ucp1 protein, Prdm16:Pparg association, and Sirt3 abundance were all increased in the absence of diet-induced hyperinsulinemia. Our data show that reducing insulin upregulates oxidative proteins in inguinal WAT without affecting Ucp1, while in mesenteric WAT and BAT, reducing insulin upregulates Ucp1 in the context of HFD. Preventing hyperinsulinemia has early depot-specific effects on adipose tissue metabolism and help explain the increased energy expenditure previously reported in Ins1 +/- mice.

Insulin is an essential hormone with key roles in energy homeostasis and body composition. Mice and rats, unlike other mammals, have two insulin genes: the rodent-specific Ins1 gene and the ancestral Ins2 gene. The relationships between insulin gene dosage and obesity has previously been explored in male and female Ins2-/- mice with full or reduced Ins1 dosage, as well as in female Ins1-/- mice with full or partial Ins2 dosage. We report herein unexpected hyper-variability in circulating insulin and physiological responses to high fat feeding in male Ins1-/-:Ins2+/- mice. Two large cohorts of Ins1-/-:Ins2+/- mice and their Ins1-/-:Ins2+/+ littermates were fed chow diet or high fat diet (HFD) from weaning and housed in specific pathogen-free (SPF) conditions. Cohort A and cohort B were studied one year apart. Contrary to female mice from the same litters, inactivating one Ins2 allele on the complete Ins1-null background did not cause a consistent reduction of circulating insulin in male mice. In cohort A, HFD-fed males showed an equivalent degree of insulin hypersecretion and weight gain, regardless of Ins2 dosage. In cohort B, Ins1-/-:Ins2+/- males showed decreased insulin levels and body mass, compared to Ins1-/-:Ins2+/+ littermates. While experimental conditions were held consistent between cohorts, we found that HFD-fed Ins1-/-:Ins2+/- mice with lower insulin levels had increased corticosterone. Collectively, these observations highlight the hyper-variability and range of phenotypic characteristics modulated by Ins2 gene dosage, specifically in male mice.

Evolutionarily conserved signaling pathways are crucial for adjusting growth, reproduction, and cell maintenance in response to altered environmental conditions or energy balance. However, we have an incomplete understanding of the signaling networks and mechanistic changes that coordinate physiological changes across tissues. We found that loss of the cAMP response element-binding protein (CREB) transcription factor significantly slows Caenorhabditis elegans reproductive decline, an early hallmark of aging in many animals. Our results indicate that CREB acts downstream of the transforming growth factor beta (TGF-beta) Sma/Mab pathway in the hypodermis to control reproductive aging, and that it does so by regulating a Hedgehog-related signaling factor, WRT-10. Overexpression of hypodermal wrt-10 is sufficient to delay reproductive decline and oocyte quality deterioration, potentially acting via Patched-related receptors in the germline. This TGF-beta/CREB/WRT-10 signaling axis allows a key metabolic tissue to communicate with the reproductive system to regulate oocyte quality and the rate of reproductive decline.

Insulin is an ancient, multi-functional hormone with essential roles in glucose homeostasis and energy storage. Recently, our group has taken advantage of the ability to limit insulin secretion in vivo by reducing insulin gene dosage to demonstrate that insulin hypersecretion is a requirement for diet-induced obesity. Our previous studies employed male Ins1+/-:Ins2-/- mice that exhibit a complete inhibition of diet-induced hyperinsulinemia relative to Ins1+/+:Ins2-/- littermate controls, as well as female Ins1-/-:Ins2+/- mice with transient, partial reduction in circulating insulin relative to Ins1-/-:Ins2+/+ littermates. In the present study, we sought to extend these studies to male Ins1-/-:Ins2+/- mice on the same chow and high fat diets. Surprisingly, while reduced Ins2 gene dosage appeared capable of reducing Ins2 mRNA, insulin protein levels in these mice were not significantly reduced. Moreover, there was a marked hyper-variability in circulating insulin levels within and between two independent cohorts of mice that persisted over at least the first year of life. In Cohort 1, we observed a paradoxical increase in body weight in some high fat-fed male Ins1-/-:Ins2+/- mice relative to Ins1-/-:Ins2+/+ littermate controls. This phenomenon is consistent with the known satiety effects of insulin and our previous observations with Ins2 can be expressed in the brain. Collectively, our data reveal unexpected complexity associated with the Ins2 gene in male mice, and establish the Ins2 gene as a candidate for studying the effects of modifier genes and/or environmental influences on gene-to-phenotype variability. Further studies are required to define the molecular mechanisms of this phenotypic hyper-variability and to define the role of reduced Ins2 gene dosage in the brain.