Obesity is a principal causative factor in the development of metabolic syndrome. Here we report that increased oxidative stress in accumulated fat is an important pathogenic mechanism of obesity-associated metabolic syndrome. Fat accumulation correlated with systemic oxidative stress in humans and mice. Production of ROS increased selectively in adipose tissue of obese mice, accompanied by augmented expression of NADPH oxidase and decreased expression of antioxidative enzymes. In cultured adipocytes, elevated levels of fatty acids increased oxidative stress via NADPH oxidase activation, and oxidative stress caused dysregulated production of adipocytokines (fat-derived hormones), including adiponectin, plasminogen activator inhibitor–1, IL-6, and monocyte chemotactic protein–1. Finally, in obese mice, treatment with NADPH oxidase inhibitor reduced ROS production in adipose tissue, attenuated the dysregulation of adipocytokines, and improved diabetes, hyperlipidemia, and hepatic steatosis. Collectively, our results suggest that increased oxidative stress in accumulated fat is an early instigator of metabolic syndrome and that the redox state in adipose tissue is a potentially useful therapeutic target for obesity-associated metabolic syndrome.

Bile acids are essential for the solubilization and transport of dietary lipids and are the major products of cholesterol catabolism. Results presented here show that bile acids are physiological ligands for the farnesoid X receptor (FXR), an orphan nuclear receptor. When bound to bile acids, FXR repressed transcription of the gene encoding cholesterol 7α-hydroxylase, which is the rate-limiting enzyme in bile acid synthesis, and activated the gene encoding intestinal bile acid–binding protein, which is a candidate bile acid transporter. These results demonstrate a mechanism by which bile acids transcriptionally regulate their biosynthesis and enterohepatic transport.

Fat tissue produces a variety of secreted proteins (adipocytokines) with important roles in metabolism. We isolated a newly identified adipocytokine, visfatin, that is highly enriched in the visceral fat of both humans and mice and whose expression level in plasma increases during the development of obesity. Visfatin corresponds to a protein identified previously as pre–B cell colony-enhancing factor (PBEF), a 52-kilodalton cytokine expressed in lymphocytes. Visfatin exerted insulin-mimetic effects in cultured cells and lowered plasma glucose levels in mice. Mice heterozygous for a targeted mutation in the visfatin gene had modestly higher levels of plasma glucose relative to wild-type littermates. Surprisingly, visfatin binds to and activates the insulin receptor. Further study of visfatin's physiological role may lead to new insights into glucose homeostasis and/or new therapies for metabolic disorders such as diabetes.

The catabolism of cholesterol into bile acids is regulated by oxysterols and bile acids, which induce or repress transcription of the pathway's rate-limiting enzyme cholesterol 7α-hydroxylase (CYP7A1). The nuclear receptor LXRα binds oxysterols and mediates feed-forward induction. Here, we show that repression is coordinately regulated by a triumvirate of nuclear receptors, including the bile acid receptor, FXR; the promoter-specific activator, LRH-1; and the promoter-specific repressor, SHP. Feedback repression of CYP7A1 is accomplished by the binding of bile acids to FXR, which leads to transcription of SHP. Elevated SHP protein then inactivates LRH-1 by forming a heterodimeric complex that leads to promoter-specific repression of both CYP7A1 and SHP. These results reveal an elaborate autoregulatory cascade mediated by nuclear receptors for the maintenance of hepatic cholesterol catabolism.

The vitamin D receptor (VDR) mediates the effects of the calcemic hormone 1α,25-dihydroxyvitamin D 3 [1,25(OH) 2 D 3 ]. We show that VDR also functions as a receptor for the secondary bile acid lithocholic acid (LCA), which is hepatotoxic and a potential enteric carcinogen. VDR is an order of magnitude more sensitive to LCA and its metabolites than are other nuclear receptors. Activation of VDR by LCA or vitamin D induced expression in vivo of CYP3A, a cytochrome P450 enzyme that detoxifies LCA in the liver and intestine. These studies offer a mechanism that may explain the proposed protective effects of vitamin D and its receptor against colon cancer.

The bile salt excretory pump (BSEP, ABCb11) is critical for ATP-dependent transport of bile acids across the hepatocyte canalicular membrane and for generation of bile acid-dependent bile secretion. Recent studies have demonstrated that the expression of this transporter is sensitive to the flux of bile acids through the hepatocyte, possibly at the level of transcription of the BSEP gene. To determine the mechanisms underlying the regulation of BSEP by bile acids, the promoter of the BSEP gene was cloned. The sequence of the promoter contained an inverted repeat (IR)-1 element (5′-GGGACA T TGATCCT-3′) at base pairs −63/−50 consisting of two nuclear receptor half-sites organized as an inverted repeat and separated by a single nucleotide. This IR-1 element has been shown in several recent studies to serve as a binding site for the farnesoid X receptor (FXR), a nuclear receptor for bile acids. FXR activity requires heterodimerization with RXRα, and when bound by bile acids, the complex effectively regulates the transcription of several genes involved in bile acid homeostasis. Gel mobility shift assays demonstrated specific binding of FXR/RXRα heterodimers to the IR-1 element in the BSEP promoter. In HepG2 cells, co-transfection of FXR and RXRα is required to attain full transactivation of the BSEP promoter by bile acids. Two FXR transactivation-deficient mutants (an AF-2 deletion and a W469A point mutant) failed to transactivate, indicating that the effect of bile acids is FXR-dependent. Further, mutational analysis confirms that the FXR/RXRα heterodimer activates transcription through the IR-1 site in the human BSEP promoter. These results demonstrate a mechanism by which bile acids transcriptionally regulate the activity of the bile salt excretory pump, a critical component involved in the enterohepatic circulation of bile acids.

Adiponectin is a fat-derived hormone with antidiabetic and antiatherogenic properties. Hypoadiponectinemia seen in obesity is associated with insulin-resistant diabetes and atherosclerosis. Thiazolidinediones, peroxisome proliferator-activated receptor-γ (PPAR-γ) agonists, have been shown to increase plasma adiponectin levels by the transcriptional induction in adipose tissues. However, the precise mechanism of such action is unknown. In this study, we have identified a functional PPAR-responsive element (PPRE) in human adiponectin promoter. PPAR-γ/retinoid X receptor (RXR) heterodimer directly bound to the PPRE and increased the promoter activity in cells. In adipocytes, point mutation of the PPRE markedly reduced the basal transcriptional activity and completely blocked thiazolidinedione-induced transactivation of adiponectin promoter. We have also identified a responsive element of another orphan nuclear receptor, liver receptor homolog-1 (LRH-1), in adiponectin promoter. LRH-1 was expressed in 3T3-L1 cells and rat adipocytes. LRH-1 bound specifically to the identified responsive element (LRH-RE). LRH-1 augmented PPAR-γ-induced transactivation of adiponectin promoter, and point mutation of the LRH-RE significantly decreased the basal and thiazolidinedione-induced activities of adiponectin promoter. Our results indicate that PPAR-γ and LRH-1 play significant roles in the transcriptional activation of adiponectin gene via the PPRE and the LRH-RE in its promoter.

Obesity is a principal causative factor in the development of metabolic syndrome. Here we report that increased oxidative stress in accumulated fat is an important pathogenic mechanism of obesity-associated metabolic syndrome. Fat accumulation correlated with systemic oxidative stress in humans and mice. Production of ROS increased selectively in adipose tissue of obese mice, accompanied by augmented expression of NADPH oxidase and decreased expression of antioxidative enzymes. In cultured adipocytes, elevated levels of fatty acids increased oxidative stress via NADPH oxidase activation, and oxidative stress caused dysregulated production of adipocytokines (fat-derived hormones), including adiponectin, plasminogen activator inhibitor–1, IL-6, and monocyte chemotactic protein–1. Finally, in obese mice, treatment with NADPH oxidase inhibitor reduced ROS production in adipose tissue, attenuated the dysregulation of adipocytokines, and improved diabetes, hyperlipidemia, and hepatic steatosis. Collectively, our results suggest that increased oxidative stress in accumulated fat is an early instigator of metabolic syndrome and that the redox state in adipose tissue is a potentially useful therapeutic target for obesity-associated metabolic syndrome.

Hepatic bile acid homeostasis is regulated by negative feedback inhibition of genes involved in the uptake and synthesis of bile acids. Bile acids down-regulate the rate-limiting gene for bile acid synthesis, cholesterol 7alpha-hydroxylase (cyp7a), via bile acid receptor (fxr) activation of an inhibitory nuclear receptor, shp. We hypothesized that shp would also mediate negative feedback regulation of ntcp, the principal hepatic bile acid transporter.Primary rat hepatocytes or transfected HepG2 and Cos cells were treated with retinoids with or without bile acids, and effects on bile acid transport and ntcp and shp gene expression and promoter activity were determined. Gel shift assays were performed using synthetic fxr, rxr, and rar proteins.Bile acid treatment of primary rat hepatocytes prevented retinoid activation of ntcp gene expression and function; this corresponded temporally with shp gene activation. Bile acid-mediated down-regulation occurred via fxr-dependent suppression of the ntcp RXR:RAR response element. Moreover, cotransfected shp directly inhibited retinoid activation of the ntcp promoter.These studies show negative feedback regulation of ntcp by bile acid-activated fxr via induction of shp. This novel regulatory pathway provides a means for coordinated down-regulation of bile acid import and synthesis, thereby protecting the hepatocyte from bile acid-mediated damage in cholestatic conditions.

The active form of vitamin D3, 1α,25-dihydroxyvitamin D3 [1,25(OH)2D3], is a principal regulator of calcium homeostasis through activation of the vitamin D receptor (VDR). Previous studies have shown that 2α-(3-hydroxypropyl)-1,25D3 (O1C3) and 2α-(3-hydroxypropoxy)-1,25D3 (O2C3), vitamin D derivatives resistant to inactivation enzymes, can activate VDR, induce leukemic cell differentiation, and increase blood calcium levels in rats more effectively than 1,25(OH)2D3. In this study, to further investigate the usefulness of 2α-substituted vitamin D derivatives, we examined the effects of O2C3, O1C3, and their derivatives on VDR activity in cells and mouse tissues and on osteoblast differentiation of dedifferentiated fat (DFAT) cells, a cell type with potential therapeutic application in regenerative medicine. In cell culture experiments using kidney-derived HEK293 cells, intestinal mucosa-derived CaCO2 cells, and osteoblast-derived MG63 cells, and in mouse experiments, O2C2, O2C3, O1C3, and O1C4 had a weaker effect than or equivalent effect to 1,25(OH)2D3 in VDR transactivation and induction of the VDR target gene CYP24A1, but they enhanced osteoblast differentiation in DFAT cells equally to or more effectively than 1,25(OH)2D3. In long-term treatment with the compound without the medium change (7 days), the derivatives enhanced osteoblast differentiation more effectively than 1,25(OH)2D3. O2C3 and O1C3 were more stable than 1,25(OH)2D3 in DFAT cell culture. These results indicate that 2α-substituted vitamin D derivatives, such as inactivation-resistant O2C3 and O1C3, are more effective than 1,25(OH)2D3 in osteoblast differentiation of DFAT cells, suggesting potential roles in regenerative medicine with DFAT cells and other multipotent cells.