Brown adipose tissue (BAT) is known to function in the dissipation of chemical energy in response to cold or excess feeding, and also has the capacity to modulate energy balance. To test the hypothesis that BAT is fundamental to the regulation of glucose homeostasis, we transplanted BAT from male donor mice into the visceral cavity of age- and sex-matched recipient mice. By 8–12 weeks following transplantation, recipient mice had improved glucose tolerance, increased insulin sensitivity, lower body weight, decreased fat mass, and a complete reversal of high-fat diet–induced insulin resistance. Increasing the quantity of BAT transplanted into recipient mice further improved the metabolic effects of transplantation. BAT transplantation increased insulin-stimulated glucose uptake in vivo into endogenous BAT, white adipose tissue (WAT), and heart muscle but, surprisingly, not skeletal muscle. The improved metabolic profile was lost when the BAT used for transplantation was obtained from Il6–knockout mice, demonstrating that BAT-derived IL-6 is required for the profound effects of BAT transplantation on glucose homeostasis and insulin sensitivity. These findings reveal a previously under-appreciated role for BAT in glucose metabolism.

Cold stimulation induces the synthesis and release of the lipid species 12,13-diHOME from brown adipose tissue. This ‘lipokine’ then acts on brown adipocytes to promote the uptake of fatty acids to fuel this cell type's heat production. Brown adipose tissue (BAT) and beige adipose tissue combust fuels for heat production in adult humans, and so constitute an appealing target for the treatment of metabolic disorders such as obesity, diabetes and hyperlipidemia1,2. Cold exposure can enhance energy expenditure by activating BAT, and it has been shown to improve nutrient metabolism3,4,5. These therapies, however, are time consuming and uncomfortable, demonstrating the need for pharmacological interventions. Recently, lipids have been identified that are released from tissues and act locally or systemically to promote insulin sensitivity and glucose tolerance; as a class, these lipids are referred to as 'lipokines'6,7,8. Because BAT is a specialized metabolic tissue that takes up and burns lipids and is linked to systemic metabolic homeostasis, we hypothesized that there might be thermogenic lipokines that activate BAT in response to cold. Here we show that the lipid 12,13-dihydroxy-9Z-octadecenoic acid (12,13-diHOME) is a stimulator of BAT activity, and that its levels are negatively correlated with body-mass index and insulin resistance. Using a global lipidomic analysis, we found that 12,13-diHOME was increased in the circulation of humans and mice exposed to cold. Furthermore, we found that the enzymes that produce 12,13-diHOME were uniquely induced in BAT by cold stimulation. The injection of 12,13-diHOME acutely activated BAT fuel uptake and enhanced cold tolerance, which resulted in decreased levels of serum triglycerides. Mechanistically, 12,13-diHOME increased fatty acid (FA) uptake into brown adipocytes by promoting the translocation of the FA transporters FATP1 and CD36 to the cell membrane. These data suggest that 12,13-diHOME, or a functional analog, could be developed as a treatment for metabolic disorders.

Exercise training improves whole-body glucose homeostasis through effects largely attributed to adaptations in skeletal muscle; however, training also affects other tissues, including adipose tissue. To determine whether exercise-induced adaptations to adipose tissue contribute to training-induced improvements in glucose homeostasis, subcutaneous white adipose tissue (scWAT) from exercise-trained or sedentary donor mice was transplanted into the visceral cavity of sedentary recipients. Remarkably, 9 days post-transplantation, mice receiving scWAT from exercise-trained mice had improved glucose tolerance and enhanced insulin sensitivity compared with mice transplanted with scWAT from sedentary or sham-treated mice. Mice transplanted with scWAT from exercise-trained mice had increased insulin-stimulated glucose uptake in tibialis anterior and soleus muscles and brown adipose tissue, suggesting that the transplanted scWAT exerted endocrine effects. Furthermore, the deleterious effects of high-fat feeding on glucose tolerance and insulin sensitivity were completely reversed if high-fat–fed recipient mice were transplanted with scWAT from exercise-trained mice. In additional experiments, voluntary exercise training by wheel running for only 11 days resulted in profound changes in scWAT, including the increased expression of ∼1,550 genes involved in numerous cellular functions including metabolism. Exercise training causes adaptations to scWAT that elicit metabolic improvements in other tissues, demonstrating a previously unrecognized role for adipose tissue in the beneficial effects of exercise on systemic glucose homeostasis.

The hormone FGF21 regulates carbohydrate and lipid homeostasis as well as body weight, and increasing FGF21 improves metabolic abnormalities associated with obesity and diabetes. FGF21 is thought to act on its target tissues, including liver and adipose tissue, to improve insulin sensitivity and reduce adiposity. Here, we used mice with selective hepatic inactivation of the IR (LIRKO) to determine whether insulin sensitization in liver mediates FGF21 metabolic actions. Remarkably, hyperglycemia was completely normalized following FGF21 treatment in LIRKO mice, even though FGF21 did not reduce gluconeogenesis in these animals. Improvements in blood sugar were due in part to increased glucose uptake in brown fat, browning of white fat, and overall increased energy expenditure. These effects were preserved even after removal of the main interscapular brown fat pad. In contrast to its retained effects on reducing glucose levels, the effects of FGF21 on reducing circulating cholesterol and hepatic triglycerides and regulating the expression of key genes involved in cholesterol and lipid metabolism in liver were disrupted in LIRKO mice. Thus, FGF21 corrects hyperglycemia in diabetic mice independently of insulin action in the liver by increasing energy metabolism via activation of brown fat and browning of white fat, but intact liver insulin action is required for FGF21 to control hepatic lipid metabolism.

Abstract Brown adipose tissue (BAT) is correlated to cardiovascular health in rodents and humans, but the physiological role of BAT in the initial cardiac remodeling at the onset of stress is unknown. Activation of BAT via 48 h cold (16°C) in mice following transverse aortic constriction (TAC) reduced cardiac gene expression for LCFA uptake and oxidation in male mice and accelerated the onset of cardiac metabolic remodeling, with an early isoform shift of carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1) toward increased CPT1a, reduced entry of long chain fatty acid (LCFA) into oxidative metabolism (0.59 ± 0.02 vs. 0.72 ± 0.02 in RT TAC hearts, p < .05) and increased carbohydrate oxidation with altered glucose transporter content. BAT activation with TAC reduced early hypertrophic expression of β‐MHC by 61% versus RT‐TAC and reduced pro‐fibrotic TGF‐β1 and COL3α1 expression. While cardiac natriuretic peptide expression was yet to increase at only 3 days TAC, Nppa and Nppb expression were elevated in Cold TAC versus RT TAC hearts 2.7‐ and 2.4‐fold, respectively. Eliminating BAT thermogenic activation with UCP1 KO mice eliminated differences between Cold TAC and RT TAC hearts, confirming effects of BAT activation rather than autonomous cardiac responses to cold. Female responses to BAT activation were blunted, with limited UCP1 changes with cold, partly due to already activated BAT in females at RT compared to thermoneutrality. These data reveal a previously unknown physiological mechanism of UCP1‐dependent BAT activation in attenuating early cardiac hypertrophic and profibrotic signaling and accelerating remodeled metabolic activity in the heart at the onset of cardiac stress.

Exercise training and cold exposure are physiological stimuli that both improve systemic glucose metabolism, but the mechanisms are not well understood. Here, we tested the hypothesis that adaptations to inguinal white adipose tissue (iWAT) are critical for the beneficial effects of exercise-trained and cold-exposed iWAT on metabolism. First, we utilized an iWAT transplantation model. Male donor mice were sedentary, exercise trained by voluntary wheel running, or cold exposed (5°C) for 11 days (n=5/group). Transplanting iWAT from exercised into sedentary mice enhanced glucose tolerance, yet cold-exposed iWAT had no effect, suggesting unique adaptations to trained iWAT that confer beneficial effects on glucose homeostasis. To determine exercise-specific effects on iWAT, quantitative proteomic profiling (QPP) of iWAT was done from sedentary, trained, and cold-exposed mice. Cold down-regulated &gt;2,000 proteins in iWAT, but also resulted in a protein signature of enhanced mitochondrial biogenesis, energy production, and fatty acid metabolism. Training also regulated protein expression, but interestingly only training-specific proteins (&gt;50 proteins), and not cold proteins, were inversely correlated with fasting glucose. This suggests that training results in fundamental changes in iWAT that mediate systemic glucose homeostasis, consistent with the transplantation glucose tolerance data. Training also upregulated iWAT extracellular space and vesicle transport proteins. Consistent with this finding, isolation of adipocyte-derived EVs from sedentary and trained mice revealed a significant increase in EV release from trained adipocytes. In sum, exercise training facilitates the release of iWAT-derived molecules, fostering inter-tissue communication. We define the unique exercise training- and cold exposure-induced iWAT proteomes, revealing distinct mechanisms for the beneficial effects of these interventions on metabolic health. Disclosure M. Vamvini: None. P. Nigro: None. K.I. Stanford: None. M.F. Hirshman: None. R.J. Middelbeek: Research Support; Novo Nordisk. L. Goodyear: None. Funding This work was supported by NIH grant (R01DK099511, R01DK101043 (to L.J.G.)), (T32DK00726042, F32DK12643201) and Joslin DRC (P30 DK36836) Pilot and Feasibility Program award (to M.V.), K23DK114550 (to R.J.W.M), and the Joslin Diabetes Center DRC (P30 DK36836).

Introduction: Obesity is a risk factor for atrial fibrillation (AF) and its incidence that has tripled over the past 30 years. Obesity is associated with dramatic changes in atrial structure and electrophysiology through unclear mechanisms. The linoleic acid metabolite 12,13-dihydroxy-9Z-octadecenoic acid (12,13-diHOME) is a signaling lipid released by brown adipose tissue that acts in an endocrine manner on myriad tissues including the heart. 12,13-diHOME enhances cardiac myocyte Ca 2+ cycling and overall function, though the precise mechanisms are undetermined. This study tested the hypothesis that 12,13-diHOME inhibits the pro-arrhythmic molecule Ca 2+ /calmodulin-dependent kinase II (CaMKII). We propose that obesity-induced loss of 12,13-diHOME promotes CaMKII dysfunction, in vitro ectopy and atrial arrhythmia (AA). Methods: Adult male and female mice were fed either high fat diet (HFD, 60% kcal from fat) or normal chow (NFD) (21% kcal from fat) for 8-16 weeks. Atrial myocytes were isolated for action potential (AP) measurements using whole-cell patch clamp ±12,13-diHOME (5 μM). To test the effect of 12,13-diHOME on AA inducibility, a second cohort of mice was fed HFD and subjected to weekly tissue nanotransfection for non-viral delivery of either Ephx1/2 (HFD-TNT), enzymes responsible for production of 12,13-diHOME, or empty plasmid (HFD-con). Following treatment, mice underwent intracardiac pacing studies to determine AA inducibility. The ability of 12,13-diHOME to directly interact with and inhibit CaMKII was tested using purified components with in vitro radioassay and microscale thermophoresis. Results: HFD induced atrial myocyte AP duration prolongation and a higher incidence of spontaneous depolarization compared to NFD, both of which were reversed by 12,13-diHOME (figure). HFD-TNT exhibited decreased phospho-CaMKII compared to HFD-con mice. In parallel, HFD-TNT trended toward reduced inducibility of AA (0/7 mice inducible, 0%) compared to TNT-CON mice (5/7, 58%) (p=0.07). Radioassay revealed that 12,13-diHOME inhibits CaMKII; thermophoresis demonstrated direct binding with K 1/2 = 19 mM. Conclusion: HFD induces dysregulation in 12,13-diHOME and CaMKII signaling together with defects in atrial myocyte excitability and AA in mice. Non-viral overexpression of 12,13-diHOME shows promise in normalizing CaMKII activity and reducing AA burden. 12,13-diHOME represents a novel avenue for direct regulation of CaMKII signaling and downstream pathology in the heart.