Stearoyl–CoA desaturase (SCD) is a central lipogenic enzyme catalyzing the synthesis of monounsaturated fatty acids, mainly oleate (C18:1) and palmitoleate (C16:1), which are components of membrane phospholipids, triglycerides, wax esters, and cholesterol esters. Several SCD isoforms ( SCD1 - 3 ) exist in the mouse. Here we show that mice with a targeted disruption of the SCD1 isoform have reduced body adiposity, increased insulin sensitivity, and are resistant to diet-induced weight gain. The protection from obesity involves increased energy expenditure and increased oxygen consumption. Compared with the wild-type mice the SCD1 −/− mice have increased levels of plasma ketone bodies but reduced levels of plasma insulin and leptin. In the SCD1 −/− mice, the expression of several genes of lipid oxidation are up-regulated, whereas lipid synthesis genes are down-regulated. These observations suggest that a consequence of SCD1 deficiency is an activation of lipid oxidation in addition to reduced triglyceride synthesis and storage.

Leptin elicits a metabolic response that cannot be explained by its anorectic effects alone. To examine the mechanism underlying leptin's metabolic actions, we used transcription profiling to identify leptin-regulated genes in ob/ob liver. Leptin was found to specifically repress RNA levels and enzymatic activity of hepatic stearoyl–CoA desaturase-1 (SCD-1), which catalyzes the biosynthesis of monounsaturated fatty acids. Mice lacking SCD-1 were lean and hypermetabolic. ob/ob mice with mutations in SCD-1 were significantly less obese than ob/ob controls and had markedly increased energy expenditure. ob/ob mice with mutations in SCD-1 had histologically normal livers with significantly reduced triglyceride storage and VLDL (very low density lipoprotein) production. These findings suggest that down-regulation of SCD-1 is an important component of leptin's metabolic actions.

The lipid composition of cellular membranes is regulated to maintain membrane fluidity. A key enzyme involved in this process is the membrane-bound stearoyl-CoA desaturase (SCD) which is the rate-limiting enzyme in the cellular synthesis of monounsaturated fatty acids from saturated fatty acids. A proper ratio of saturated to monounsaturated fatty acids contributes to membrane fluidity. Alterations in this ratio have been implicated in various disease states including cardiovascular disease, obesity, non-insulin-dependent diabetes mellitus, hypertension, neurological diseases, immune disorders, and cancer. The regulation of stearoyl-CoA desaturase is therefore of considerable physiological importance and its activity is sensitive to dietary changes, hormonal imbalance, developmental processes, temperature changes, metals, alcohol, peroxisomal proliferators, and phenolic compounds. Two mouse and rat SCD genes (SCD1 and SCD2) and a single human SCD gene have been cloned and characterized. In the past several years we have studied the dietary influences on the genetic expression of the mouse stearoyl-CoA desaturase. The expression of the mouse SCD genes is regulated by polyunsaturated fatty acids and cholesterol at the levels of transcription and mRNA stability. Promoter elements that are responsible for the polyunsaturated fatty acid repression colocalize with the promoter elements for SREBP-mediated regulation of the SCD genes.It is the goal of this review to provide an overview of the genetic regulation of the stearoyl-CoA desaturase in response to dietary polyunsaturated fatty acids and cholesterol.—Ntambi, J. M. Regulation of stearoyl-CoA desaturase by polyunsaturated fatty acids and cholesterol. J. Lipid Res. 1999. 40: 1549–1558.

Previous studies have shown that differentiation of 3T3-L1 preadipocytes leads to the transcriptional activation of a group of adipose-specific genes. As an approach to defining the mechanism responsible for activating the expression of these genes, we investigated the binding of nuclear factors to the promoters of two differentiation-induced genes, the 422(aP2) and stearoyl-CoA desaturase 1 (SCD1) genes. DNase I footprinting and gel retardation analysis identified two binding regions within the promoters of each gene that interact with nuclear factors present in differentiated 3T3-L1 adipocytes. One differentiation-induced nuclear factor interacts specifically with a single binding site in the promoter of each gene. Competition experiments showed that the interaction of this nuclear factor with the SCD1 promoter was prevented specifically by a synthetic oligonucleotide corresponding to the site footprinted in the 422(aP2) promoter. Several lines of evidence indicate that the differentiation-induced nuclear factor is CCAAT/enhancer binding protein (C/EBP), a DNA-binding protein first isolated from rat liver. Bacterially expressed recombinant C/EBP binds to the same site at which the differentiation-specific nuclear factor interacts within the promoter of each gene. Northern analysis with RNA from 3T3-L1 cells shows that C/EBP mRNA abundance increases markedly during differentiation. Transient cotransfection studies using a C/EBP expression vector demonstrate that C/EBP can function as a trans-activator of both the 422(aP2) and SCD1 gene promoters.

Stearoyl-CoA desaturase (SCD) is a microsomal enzyme required for the biosynthesis of oleate and palmitoleate, which are the major monounsaturated fatty acids of membrane phospholipids, triglycerides, and cholesterol esters. Two well characterized isoforms of SCD, SCD1 and SCD2, exist in the mouse. Most mouse tissues express SCD1 and 2 with the exception of the liver, which expresses mainly the SCD1 isoform. We found that asebia mice homozygous for a natural mutation of the gene for SCD1 (SCD−/−) are deficient in hepatic cholesterol esters and triglycerides despite the presence of normal activities of acyl-CoA:cholesterol acyltransferase and glycerol phosphate acyltransferase, the enzymes responsible for cholesterol ester and triglyceride synthesis, respectively, in the liver of these mice. Feeding diets supplemented with triolein or tripalmitolein to the SCD−/− mice resulted in an increase in the levels of 16:1 and 18:1 in the liver but failed to restore the 18:1 and 16:1 levels of the cholesterol ester and triglycerides to the levels found in normal mice. The SCD−/− mouse had very low levels of triglycerides in the VLDL and LDL lipoprotein fractions compared with the normal animal. Transient transfection of an SCD1 expression vector into Chinese hamster ovary cells resulted in increased SCD activity and esterification of cholesterol to cholesterol esters. Taken together, our observations demonstrate that the oleoyl-CoA and palmitoleyl-CoA produced by SCD1 are necessary to synthesize enough cholesterol esters and triglycerides in the liver and suggest that regulation of SCD1 activity plays an important role in mechanisms of cellular cholesterol homeostasis.

Stearoyl-CoA desaturase-1 (SCD1), a critical regulator of energy metabolism, catalyzes the synthesis of monounsaturated fats. To understand the tissue-specific role of SCD1 in energy homeostasis, we used Cre-lox technology to generate mice with a liver-specific knockout of Scd1 (LKO). LKO mice were protected from high-carbohydrate, but not high-fat (HF), diet-induced adiposity and hepatic steatosis. Additionally, on a high-sucrose, very low-fat (HSVLF) diet, lipogenesis and levels of nuclear SREBP-1 and ChREBP were significantly decreased in the livers of LKO relative to Scd1lox/lox (Lox) mice. HSVLF feeding in LKO mice caused hypoglycemia and hepatic carbohydrate reduction due to an impairment of gluconeogenesis. Oleate, but not stearate, supplementation normalized adiposity, gluconeogenesis, triglyceride secretion, and hepatic lipogenesis of LKO mice. These results indicate that hepatic SCD1 expression (and thus, oleate) is required for carbohydrate-induced adiposity, but SCD1 inhibition in extrahepatic tissues is required to protect mice from HF-induced obesity and insulin resistance.

Stearoyl-CoA desaturase (SCD) catalyzes the rate-limiting step in the biosynthesis of monounsaturated fatty acids. Mice with a targeted disruption of the SCD1 isoform have reduced body adiposity, increased energy expenditure, and up-regulated expression of several genes encoding enzymes of fatty acid β-oxidation in liver. The mechanisms by which SCD deficiency leads to these metabolic changes are presently unknown. Here we show that the phosphorylation and activity of AMP-activated protein kinase (AMPK), a metabolic sensor that regulates lipid metabolism during increased energy expenditure is significantly increased (≈40%, P < 0.01) in liver of SCD1 knockout mice (SCD1-/-). In parallel with the activation of AMPK, the phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase at Ser-79 was increased and enzymatic activity was decreased (≈35%, P < 0.001), resulting in decreased intracellular levels of malonyl-CoA (≈47%, P < 0.001). An SCD1 mutation also increased AMPK phosphorylation and activity and increased acetyl-CoA carboxylase phosphorylation in leptin-deficient ob/ob mice. Lower malonyl-CoA concentrations are known to derepress carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1). In SCD1-/- mice, CPT1 and CPT2 activities were significantly increased (in both cases ≈60%, P < 0.001) thereby stimulating the oxidation of mitochondrial palmitoyl-CoA. Our results identify AMPK as a mediator of increased fatty acid oxidation in liver of SCD1-deficient mice.

Abstract Previously we isolated and characterized a differentially expressed gene from mouse 3T3-L1 preadipocytes that encodes stearoyl-CoA desaturase (SCD1; Ntambi, J. M., Buhrow, S. A., Kaestner, K. H., Christy, R. J., Sibley, E., Kelly, T. J., Jr., and Lane, M. D. (1988) J. Biol. Chem. 263, 17291-17300). Genomic Southern blot analysis indicated the existence of another closely related gene. Here we report the isolation and characterization of this gene and the corresponding cDNA which encode a second stearoyl-CoA desaturase, SCD2, 3T3-L1 adipocytes. SCD2 cDNA is 5 kilobase pairs in length and encodes a protein of 358 amino acids with greater than 87% amino acid sequence identity to SCD1. RNase protection analysis reveals a 10-fold increase in the expression of SCD2 mRNA during 3T3-L1 preadipocyte differentiation. SCD2 mRNA is expressed constitutively at a high level in brain, is not expressed in liver, and its expression in kidney, adipose, and lung tissue is increased greatly by shifting mice from a diet containing unsaturated fatty acids to a diet devoid of fat. The tissue distribution and the dietary alteration of SCD1 mRNA expression differs markedly from that of SCD2 mRNA being absent from brain, constitutive in adipose tissue, and subject to negative control in liver by feeding a diet containing unsaturated fatty acids. The SCD2 gene spans approximately 15 kilobase pairs and consists of six exons and five introns, with intron/exon junctions similar to those of SCD1. As determined by primer extension analysis the start site of transcription maps 300 nucleotides upstream of the initiator methionine codon. Unlike the SCD1 gene, SCD2 lacks a typical TATA box in the 5'-flanking region, but has two boxes at positions -90 and -135 relative to the transcription initiation site. The SCD2 promoter contains a 140-base pair sequence (located between nucleotides -54 and -201) which possesses 77% sequence identity to a region (located between nucleotides -472 and -325) in the SCD1 promoter. There is a GC-rich sequence in the SCD2 promoter (at nucleotide -175) similar to the binding site for the nuclear transcription factor Sp1 as well as an element with homology to the core consensus sequence for the glucocorticoid regulatory element position -500 and a potential CCAAT box/enhance binding protein sequence at position -540. The SCD gene family provides a new model system for the study of differentiation-induced as well as tissue-specific metabolite controlled gene expression.

Obesity and type 2 diabetes are strongly associated with abnormal lipid metabolism and accumulation of intramyocellular triacylglycerol, but the underlying cause of these perturbations are yet unknown. Herein, we show that the lipogenic gene, stearoyl-CoA desaturase 1 (SCD1), is robustly up-regulated in skeletal muscle from extremely obese humans. High expression and activity of SCD1, an enzyme that catalyzes the synthesis of monounsaturated fatty acids, corresponded with low rates of fatty acid oxidation, increased triacylglycerol synthesis and increased monounsaturation of muscle lipids. Elevated SCD1 expression and abnormal lipid partitioning were retained in primary skeletal myocytes derived from obese compared to lean donors, implying that these traits might be driven by epigenetic and/or heritable mechanisms. Overexpression of human SCD1 in myotubes from lean subjects was sufficient to mimic the obese phenotype. These results suggest that elevated expression of SCD1 in skeletal muscle contributes to abnormal lipid metabolism and progression of obesity.

Abstract Previous studies have shown that differentiation of 3T3-L1 preadipocytes leads to the activation of transcription of an unidentified gene which encodes a 4.9-kilobase (kb) mRNA. Several cDNAs that include the complete sequence of this mRNA were obtained and used to isolate and characterize the gene. Analysis of the nucleotide and amino acid sequences of both cDNA and genomic clones revealed that the gene encodes the mouse stearoyl-CoA desaturase (SCD), an enzyme known to be expressed upon differentiation of 3T3-L1 preadipocytes. The predicted amino acid sequence (355 residues) of the mouse 3T3-L1 adipocyte SCD exhibits 92% identity to that of the rat liver SCD. There is also a high degree of nucleotide sequence identity between the mouse and rat mRNAs in their unusually long approximately 3.5-kb 3'-untranslated regions. Mice fed a diet containing unsaturated triacylglycerides express SCD mRNA only in adipose tissue, whereas mice starved and refed a fat-free diet, express SCD mRNA in both liver and adipose tissue. The mouse gene for the desaturase spans approximately 15 kb and contains 6 exons and 5 introns with all intron-exon junctions conforming to the GT/AG splicing rule. As determined by S1 nuclease mapping and primer extension analysis, the transcriptional initiation site maps 152 nucleotides upstream from the initiation methionine codon. A canonical promoter TATA box is located 30 base pairs upstream of the Cap site. A typical CCAAT box sequence is not present in the adjacent 5'-flanking region; however, there is a GC-rich sequence (at nucleotide -215) similar to the binding site for the nuclear transcription factor Sp1. Upstream from the transcriptional initiation site are elements with homology (approximately 75%) to the putative fat-specific transcriptional element FSE2 and core consensus sequences for cAMP and glucocorticoid regulatory elements. A chimeric construct, containing 363 base pairs of 5'-flanking sequence and 30 nucleotides of 5'-untranslated sequence of the mouse SCD gene ligated to the bacterial chloramphenicol acetyltransferase gene, was transfected into 3T3-L1 cells. When cells were induced to differentiate into adipocytes, expression of the SCD chloramphenicol acetyltransferase gene increased approximately 63-fold, suggesting that the SCD promoter region contains elements that mediate the response to adipogenic agents which induce differentiation.