Diabetes mellitus is a major health concern, affecting more than 5% of the population. Here we describe a potential novel therapeutic agent for this disease, FGF-21, which was discovered to be a potent regulator of glucose uptake in mouse 3T3-L1 and primary human adipocytes. FGF-21-transgenic mice were viable and resistant to diet-induced obesity. Therapeutic administration of FGF-21 reduced plasma glucose and triglycerides to near normal levels in both ob/ob and db/db mice. These effects persisted for at least 24 hours following the cessation of FGF-21 administration. Importantly, FGF-21 did not induce mitogenicity, hypoglycemia, or weight gain at any dose tested in diabetic or healthy animals or when overexpressed in transgenic mice. Thus, we conclude that FGF-21, which we have identified as a novel metabolic factor, exhibits the therapeutic characteristics necessary for an effective treatment of diabetes.

Certain white adipose tissue (WAT) depots are readily able to convert to a "brown-like" state with prolonged cold exposure or exposure to β-adrenergic compounds. This process is characterized by the appearance of pockets of uncoupling protein 1 (UCP1)-positive, multilocular adipocytes and serves to increase the thermogenic capacity of the organism. We show here that fibroblast growth factor 21 (FGF21) plays a physiologic role in this thermogenic recruitment of WATs. In fact, mice deficient in FGF21 display an impaired ability to adapt to chronic cold exposure, with diminished browning of WAT. Adipose-derived FGF21 acts in an autocrine/paracrine manner to increase expression of UCP1 and other thermogenic genes in fat tissues. FGF21 regulates this process, at least in part, by enhancing adipose tissue PGC-1α protein levels independently of mRNA expression. We conclude that FGF21 acts to activate and expand the thermogenic machinery in vivo to provide a robust defense against hypothermia.

Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is a metabolic regulator that provides efficient and durable glycemic and lipid control in various animal models. However, its potential to treat obesity, a major health concern affecting over 30% of the population, has not been fully explored. Here we report that systemic administration of FGF21 for 2 wk in diet-induced obese and ob/ob mice lowered their mean body weight by 20% predominantly via a reduction in adiposity. Although no decrease in total caloric intake or effect on physical activity was observed, FGF21-treated animals exhibited increased energy expenditure, fat utilization, and lipid excretion, reduced hepatosteatosis, and ameliorated glycemia. Transcriptional and blood cytokine profiling studies revealed effects consistent with the ability of FGF21 to ameliorate insulin and leptin resistance, enhance fat oxidation and suppress de novo lipogenesis in liver as well as to activate futile cycling in adipose. Overall, these data suggest that FGF21 exhibits the therapeutic characteristics necessary for an effective treatment of obesity and fatty liver disease and provides novel insights into the metabolic determinants of these activities.

Summary

 Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is a recently discovered metabolic regulator. Exogenous FGF21 produces beneficial metabolic effects in animal models; however, the translation of these observations to humans has not been tested. Here, we studied the effects of LY2405319 (LY), a variant of FGF21, in a randomized, placebo-controlled, double-blind proof-of-concept trial in patients with obesity and type 2 diabetes. Patients received placebo or 3, 10, or 20 mg of LY daily for 28 days. LY treatment produced significant improvements in dyslipidemia, including decreases in low-density lipoprotein cholesterol and triglycerides and increases in high-density lipoprotein cholesterol and a shift to a potentially less atherogenic apolipoprotein concentration profile. Favorable effects on body weight, fasting insulin, and adiponectin were also detected. However, only a trend toward glucose lowering was observed. These results indicate that FGF21 is bioactive in humans and suggest that FGF21-based therapies may be effective for the treatment of selected metabolic disorders.

OBJECTIVE Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is a key mediator of fatty acid oxidation and lipid metabolism. Pharmacological doses of FGF21 improve glucose tolerance, lower serum free fatty acids, and lead to weight loss in obese mice. Surprisingly, however, FGF21 levels are elevated in obese ob/ob and db/db mice and correlate positively with BMI in humans. However, the expected beneficial effects of endogenous FGF21 to increase glucose tolerance and reduce circulating triglycerides are absent in obesity. RESEARCH DESIGN AND METHODS To test the hypothesis that obesity is a state of FGF21 resistance, we evaluated the response of obese mice to exogenous FGF21 administration. In doing this, we assessed the impact of diet-induced obesity on FGF21 signaling and resultant transcriptional events in the liver and white adipose tissue. We also analyzed the physiologic impact of FGF21 resistance by assessing serum parameters that are acutely regulated by FGF21. RESULTS When obese mice are treated with FGF21, they display both a significantly attenuated signaling response as assessed by extracellular mitogen-activated protein kinase 1 and 2 (ERK1/2) phosphorylation as well as an impaired induction of FGF21 target genes, including cFos and EGR1. These effects were seen in both liver and fat. Similarly, changes in serum parameters such as the decline in glucose and free fatty acids are attenuated in FGF21-treated DIO mice. CONCLUSIONS These data demonstrate that DIO mice have increased endogenous levels of FGF21 and respond poorly to exogenous FGF21. We therefore propose that obesity is an FGF21-resistant state.

Fibroblast growth factor (FGF)-21 has been recently characterized as a potent metabolic regulator. Systemic administration of FGF-21 reduced plasma glucose and triglycerides to near normal levels in genetically compromised diabetic rodents. Importantly, these effects were durable and did not come at the expense of weight gain, hypoglycemia, or mitogenicity. To explore the therapeutic properties of FGF-21 in a nongenetically modified primate species, and thus demonstrate the potential for efficacy in humans, we evaluated its bioactivity in diabetic nonhuman primates. When administered daily for 6 wk to diabetic rhesus monkeys, FGF-21 caused a dramatic decline in fasting plasma glucose, fructosamine, triglycerides, insulin, and glucagon. Of significant importance in regard to safety, hypoglycemia was not observed at any point during the study. FGF-21 administration also led to significant improvements in lipoprotein profiles, including lowering of low-density lipoprotein cholesterol and raising of high-density lipoprotein cholesterol, beneficial changes in the circulating levels of several cardiovascular risk markers/factors, and the induction of a small but significant weight loss. These data support the development of FGF-21 for the treatment of diabetes and other metabolic diseases.

FGF21, a member of the fibroblast growth factor (FGF) superfamily, has recently emerged as a regulator of metabolism and energy utilization. However, the exact mechanism(s) whereby FGF21 mediates its actions have not been elucidated. There is considerable evidence that insulin resistance may arise from aberrant accumulation of intracellular lipids in insulin-responsive tissues due to lipotoxicity. In particular, the sphingolipid ceramide has been implicated in this process. Here, we show that FGF21 rapidly and robustly stimulates adiponectin secretion in rodents while diminishing accumulation of ceramides in obese animals. Importantly, adiponectin-knockout mice are refractory to changes in energy expenditure and ceramide-lowering effects evoked by FGF21 administration. Moreover, FGF21 lowers blood glucose levels and enhances insulin sensitivity in diabetic Lep(ob/ob) mice and diet-induced obese (DIO) mice only when adiponectin is functionally present. Collectively, these data suggest that FGF21 is a potent regulator of adiponectin secretion and that FGF21 critically depends on adiponectin to exert its glycemic and insulin sensitizing effects.

Summary

 FGF21 is a critical metabolic regulator, pivotal for fasting adaptation and directly regulated by PPARα in rodents. However, the physiological role of FGF21 in man is not yet defined and was investigated in our study. Serum FGF21 varied 250-fold among 76 healthy individuals and did not relate to age, gender, body mass index (BMI), serum lipids, or plasma glucose. FGF21 levels had no diurnal variation and were unrelated to bile acid or cholesterol synthesis. Ketosis induced by a 2 day fast or feeding a ketogenic diet (KD) did not influence FGF21 levels, whereas a 74% increase occurred after 7 days of fasting. Hypertriglyceridemic nondiabetic patients had 2-fold elevated FGF21 levels, which were further increased by 28% during fenofibrate treatment. FGF21 circulates in human plasma and increases by extreme fasting and PPARα activation. The wide interindividual variation and the induction of ketogenesis independent of FGF21 levels indicate that the physiological role of FGF21 in humans may differ from that in mice.

Fibroblast growth factor-21 (FGF-21) is a recently discovered metabolic regulator. Here, we investigated the effects of FGF-21 in the pancreatic β-cell. In rat islets and INS-1E cells, FGF-21 activated extracellular signal–regulated kinase 1/2 and Akt signaling pathways. In islets isolated from healthy rats, FGF-21 increased insulin mRNA and protein levels but did not potentiate glucose-induced insulin secretion. Islets and INS-1E cells treated with FGF-21 were partially protected from glucolipotoxicity and cytokine-induced apoptosis. In islets isolated from diabetic rodents, FGF-21 treatment increased islet insulin content and glucose-induced insulin secretion. Short-term treatment of normal or db/db mice with FGF-21 lowered plasma levels of insulin and improved glucose clearance compared with vehicle after oral glucose tolerance testing. Constant infusion of FGF-21 for 8 weeks in db/db mice nearly normalized fed blood glucose levels and increased plasma insulin levels. Immunohistochemistry of pancreata from db/db mice showed a substantial increase in the intensity of insulin staining in islets from FGF-21–treated animals as well as a higher number of islets per pancreas section and of insulin-positive cells per islet compared with control. No effect of FGF-21 was observed on islet cell proliferation. In conclusion, preservation of β-cell function and survival by FGF-21 may contribute to the beneficial effects of this protein on glucose homeostasis observed in diabetic animals.