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.

Abstract Brown adipose tissue (BAT) plays an important role in the regulation of body weight and glucose homeostasis. While increasing evidence supports white adipose tissue heterogeneity, little is known about heterogeneity within murine BAT. Using single cell RNA sequencing of the stromal vascular fraction of murine BAT and analysis of 67 brown preadipocyte and adipocyte clones we unravel heterogeneity within brown preadipocytes. Statistical analysis of gene expression profiles from these clones identifies markers distinguishing brown adipocyte lineages. We confirm the presence of distinct brown adipocyte populations in vivo using three identified markers; Eif5, Tcf25, and Bin1. Functionally, we demonstrate that loss of Bin1 enhances UCP1 expression and mitochondrial respiration, suggesting that Bin1 marks a dormant brown adipocyte type. The existence of multiple brown adipocyte lineages suggests distinct functional properties of BAT depending on its cellular composition, with potentially distinct function in thermogenesis and the regulation of whole body energy homeostasis.