Summary

 We report that astrocytic insulin signaling co-regulates hypothalamic glucose sensing and systemic glucose metabolism. Postnatal ablation of insulin receptors (IRs) in glial fibrillary acidic protein (GFAP)-expressing cells affects hypothalamic astrocyte morphology, mitochondrial function, and circuit connectivity. Accordingly, astrocytic IR ablation reduces glucose-induced activation of hypothalamic pro-opio-melanocortin (POMC) neurons and impairs physiological responses to changes in glucose availability. Hypothalamus-specific knockout of astrocytic IRs, as well as postnatal ablation by targeting glutamate aspartate transporter (GLAST)-expressing cells, replicates such alterations. A normal response to altering directly CNS glucose levels in mice lacking astrocytic IRs indicates a role in glucose transport across the blood-brain barrier (BBB). This was confirmed in vivo in GFAP-IR KO mice by using positron emission tomography and glucose monitoring in cerebral spinal fluid. We conclude that insulin signaling in hypothalamic astrocytes co-controls CNS glucose sensing and systemic glucose metabolism via regulation of glucose uptake across the BBB.

Abstract The incidence of chronic liver disease is constantly increasing, owing to the obesity epidemic. However, the causes and mechanisms of inflammation-mediated liver damage remain poorly understood. Endoplasmic reticulum (ER) stress is an initiator of cell death and inflammatory mechanisms. Although obesity induces ER stress, the interplay between hepatic ER stress, NLRP3 inflammasome activation and hepatocyte death signaling has not yet been explored during the etiology of chronic liver diseases. Steatosis is a common disorder affecting obese patients; moreover, 25% of these patients develop steatohepatitis with an inherent risk for progression to hepatocarcinoma. Increased plasma LPS levels have been detected in the serum of patients with steatohepatitis. We hypothesized that, as a consequence of increased plasma LPS, ER stress could be induced and lead to NLRP3 inflammasome activation and hepatocyte death associated with steatohepatitis progression. In livers from obese mice, administration of LPS or tunicamycin results in IRE1 α and PERK activation, leading to the overexpression of CHOP. This, in turn, activates the NLRP3 inflammasome, subsequently initiating hepatocyte pyroptosis (caspase-1, -11, interleukin-1 β secretion) and apoptosis (caspase-3, BH3-only proteins). In contrast, the LPS challenge is blocked by the ER stress inhibitor TUDCA, resulting in: CHOP downregulation, reduced caspase-1, caspase-11, caspase-3 activities, lowered interleukin-1 β secretion and rescue from cell death. The central role of CHOP in mediating the activation of proinflammatory caspases and cell death was characterized by performing knockdown experiments in primary mouse hepatocytes. Finally, the analysis of human steatohepatitis liver biopsies showed a correlation between the upregulation of inflammasome and ER stress markers, as well as liver injury. We demonstrate here that ER stress leads to hepatic NLRP3 inflammasome pyroptotic death, thus contributing as a novel mechanism of inflammation-mediated liver injury in chronic liver diseases. Inhibition of ER-dependent inflammasome activation and cell death pathways may represent a potential therapeutic approach in chronic liver diseases.

Abstract Adipocytes are critical regulators of metabolism and energy balance. While white adipocyte dysfunction is a hallmark of obesity-associated disorders, the activation of thermogenic brown and beige adipocytes is linked to improved cardiometabolic health. As adipocytes dynamically adapt to environmental cues by functionally switching between white and thermogenic phenotypes, a molecular understanding of this adipocyte plasticity could help improving energy balance and weight loss. Here, we show that the long non-coding RNA (lncRNA) Apoptosis associated transcript in bladder cancer (AATBC) is a human-specific regulator of adipocyte plasticity. Searching for new human lncRNAs implicated in adipocyte biology we compared transcriptional profiles of human adipose tissues and cultured adipocytes and discovered that AATBC was enriched in thermogenic conditions. Using primary human adipocytes and immortalized human adipocytes we found that gain-of-function of AATBC enhanced the thermogenic phenotype whereas loss-of-function diminished this effect. The AATBC-mediated increase in mitochondrial respiration was linked to a more fragmented mitochondrial network and vice versa. While we found that AATBC is predominantly located in the nucleus, its effect on global transcription was only marginal. As AATBC is specific to humans, we expressed AATBC in adipose tissue of mice to study its systemic impact, which led to lower plasma leptin levels. Interestingly, this association was also present in human subjects, as AATBC in adipose tissue was inversely correlated with plasma leptin levels, body mass index and other measures of metabolic health. In conclusion, AATBC is a novel obesity-linked regulator of adipocyte plasticity and mitochondrial function in humans.

In humans, obesity was associated with brain inflammation and glial cell proliferation. Studies in rodents showed that glial cell proliferation occurs within 24 hours of high-fat diet (HFD) consumption, before obesity development. This proliferation was mainly observed in the hypothalamus (HT), a crucial brain structure for controlling body weight. Therefore, we sought to characterize the post-prandial HT inflammatory response to 1-3-6 hours exposure to a standard diet and HFD. HFD exposure increased gene expression of astrocyte and microglial marker (GFAP and Iba1) compare to standard treated mice and induced morphological modifications of microglial cells in HT. This remodeling was associated with higher expression of inflammatory genes and differential activation of hypothalamic neuropeptides involved in energy balance regulation. DREADD and PLX5622 technologies, used to modulate GFAP-positive or microglial cells activity respectively, showed that both glial cell types are involved in hypothalamic post-prandial inflammation, but in a different time frame and with a diet specificity Thus, an exacerbated post-prandial inflammation in brain might predispose individuals to obesity and needs to be characterized to address this worldwide crisis.

SUMMARY Hypothalamic astrocytes are particularly affected by energy-dense food consumption. How the anatomical location of these glial cells and their spatial molecular distribution in the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARC) determine the cellular response to a high caloric diet remains unclear. In this study, we investigated their distinctive molecular responses following the exposure to a high-fat high-sugar (HFHS) diet, specifically in the ARC. Using RNA sequencing and proteomics, we showed that astrocytes have a distinct transcriptomic and proteomic profile dependent on their anatomical location, with a major proteomic reprogramming in hypothalamic astrocytes. By ARC single-cell sequencing, we observed that a HFHS diet dictates time- and cell-specific transcriptomic responses, revealing that astrocytes have the most distinct regulatory pattern compared to other cell types. Lastly, we topographically and molecularly characterized astrocytes expressing glial fibrillary acidic protein and/or aldehyde dehydrogenase 1 family member L1 in the ARC, of which the abundance was significantly increased, as well as the alteration in their spatial and molecular profiles, with a HFHS diet. Together, our results provide a detailed multi-omics view on the spatial and temporal changes of astrocytes particularly in the ARC during different time points of adaptation to a high caloric diet.

Summary Oxytocin-expressing paraventricular hypothalamic neurons (PVN OT neurons) integrate afferent signals from the gut including cholecystokinin (CCK) to adjust whole-body energy homeostasis. However, the molecular underpinnings by which PVN OT neurons orchestrate gut-to-brain feeding control remain unclear. Here, we show that mice undergoing selective ablation of PVN OT neurons fail to reduce food intake in response to CCK and develop hyperphagic obesity on chow diet. Notably, exposing wildtype mice to a high-fat/high-sugar (HFHS) diet recapitulates this insensitivity towards CCK, which is linked to diet-induced transcriptional and electrophysiological aberrations specifically in PVN OT neurons. Restoring OT pathways in DIO mice via chemogenetics or polypharmacology sufficiently re-establishes CCK’s anorexigenic effects. Lastly, by single-cell profiling, we identify a specialized PVN OT neuronal subpopulation with increased κ-opioid signaling under HFHS diet, which restrains their CCK-evoked activation. In sum, we here document a novel (patho)mechanism by which PVN OT signaling uncouples a gut-brain satiation pathway under obesogenic conditions.