Brown adipose tissue (BAT) is a heater organ that expresses thermogenic uncoupling protein 1 (UCP1) to maintain high body temperatures during cold stress. BAT thermogenesis is considered an overarching mammalian trait, but its evolutionary origin is unknown. We show that adipose tissue of marsupials, which diverged from eutherian mammals ~ 150 million years ago, expresses a nonthermogenic UCP1 variant governed by a partial transcriptomic BAT signature similar to that found in eutherian beige adipose tissue. We found that the reconstructed UCP1 sequence of the common eutherian ancestor displayed typical thermogenic activity, whereas therian ancestor UCP1 is nonthermogenic. Thus, mammalian adipose tissue thermogenesis may have evolved in two distinct stages, with a prethermogenic stage in the common therian ancestor linking UCP1 expression to adipose tissue and thermal stress. We propose that in a second stage, UCP1 acquired its thermogenic function specifically in eutherians, such that the onset of mammalian BAT thermogenesis occurred only after the divergence from marsupials.

Abstract Uncoupling protein 1 (UCP1) catalyzes mitochondrial proton leak in brown adipose tissue for heat production, and may combat metabolic disease if activated in humans. During the adrenergic stimulation of brown adipocytes, free fatty acids generated from lipolysis activate UCP1 via an unclear interaction. Here, we have utilized membrane protein thermostability shift analysis to characterize the interaction of activating molecules with purified UCP1. We reveal that activators influence the protein through a specific destabilizing interaction, behaving as transport substrates that shift UCP1 to a less stable conformation of a transport cycle. Through the detection of specific stability shifts in screens, we identify novel activators, including the drug ibuprofen, where ligand analysis indicates a relatively wide structural specificity for interacting molecules. Ibuprofen induces UCP1 activity in liposomes and isolated brown fat mitochondria, but not in cultured brown adipocytes. Though the drug does induce activity in UCP1-expressing HEK293 cells, demonstrating that the targeting of UCP1 in cells by approved drugs is in principle achievable as a therapeutic avenue, but requires variants with more effective delivery in brown adipocytes.