The gut microbiota affects nutrient acquisition and energy regulation of the host, and can influence the development of obesity, insulin resistance, and diabetes. During feeding, gut microbes produce short-chain fatty acids, which are important energy sources for the host. Here we show that the short-chain fatty acid receptor GPR43 links the metabolic activity of the gut microbiota with host body energy homoeostasis. We demonstrate that GPR43-deficient mice are obese on a normal diet, whereas mice overexpressing GPR43 specifically in adipose tissue remain lean even when fed a high-fat diet. Raised under germ-free conditions or after treatment with antibiotics, both types of mice have a normal phenotype. We further show that short-chain fatty acid-mediated activation of GPR43 suppresses insulin signalling in adipocytes, which inhibits fat accumulation in adipose tissue and promotes the metabolism of unincorporated lipids and glucose in other tissues. These findings establish GPR43 as a sensor for excessive dietary energy, thereby controlling body energy utilization while maintaining metabolic homoeostasis.

The maintenance of energy homeostasis is essential for life, and its dysregulation leads to a variety of metabolic disorders. Under a fed condition, mammals use glucose as the main metabolic fuel, and short-chain fatty acids (SCFAs) produced by the colonic bacterial fermentation of dietary fiber also contribute a significant proportion of daily energy requirement. Under ketogenic conditions such as starvation and diabetes, ketone bodies produced in the liver from fatty acids are used as the main energy sources. To balance energy intake, dietary excess and starvation trigger an increase or a decrease in energy expenditure, respectively, by regulating the activity of the sympathetic nervous system (SNS). The regulation of metabolic homeostasis by glucose is well recognized; however, the roles of SCFAs and ketone bodies in maintaining energy balance remain unclear. Here, we show that SCFAs and ketone bodies directly regulate SNS activity via GPR41, a Gi/o protein-coupled receptor for SCFAs, at the level of the sympathetic ganglion. GPR41 was most abundantly expressed in sympathetic ganglia in mouse and humans. SCFA propionate promoted sympathetic outflow via GPR41. On the other hand, a ketone body, β-hydroxybutyrate, produced during starvation or diabetes, suppressed SNS activity by antagonizing GPR41. Pharmacological and siRNA experiments indicated that GPR41-mediated activation of sympathetic neurons involves Gβγ-PLCβ-MAPK signaling. Sympathetic regulation by SCFAs and ketone bodies correlated well with their respective effects on energy consumption. These findings establish that SCFAs and ketone bodies directly regulate GPR41-mediated SNS activity and thereby control body energy expenditure in maintaining metabolic homeostasis.

Bile acids play essential roles in the absorption of dietary lipids and in the regulation of bile acid biosynthesis. Recently, a G protein-coupled receptor, TGR5, was identified as a cell-surface bile acid receptor. In this study, we show that bile acids promote glucagon-like peptide-1 (GLP-1) secretion through TGR5 in a murine enteroendocrine cell line STC-1. In STC-1 cells, bile acids promoted GLP-1 secretion in a dose-dependent manner. As STC-1 cells express TGR5 mRNA, we examined whether bile acids induce GLP-1 secretion through TGR5. RNA interference experiments showed that reduced expression of TGR5 resulted in reduced secretion of GLP-1. Furthermore, transient transfection of STC-1 cells with an expression plasmid containing TGR5 significantly enhanced GLP-1 secretion, indicating that bile acids promote GLP-1 secretion through TGR5 in STC-1 cells. Bile acids induced rapid and dose-dependent elevation of intracellular cAMP levels in STC-1 cells. An adenylate cyclase inhibitor, MDL12330A, significantly suppressed bile acid-promoted GLP-1 secretion, suggesting that bile acids induce GLP-1 secretion via intracellular cAMP production in STC-1 cells.

Mice deficient in the lipid sensor GPR120 develop obesity, glucose intolerance and fatty liver when fed a high-fat diet, and a loss-of-function variant in the GPR120 gene strongly contributes to increased obesity in human. The G-protein-coupled receptor GPR120 is a receptor for free fatty acids, and is involved in homeostasis mechanisms such as fat-cell generation and the regulation of appetite. Here it is shown that without GPR120, mice on a high-fat diet develop obesity, glucose intolerance and fatty liver. In humans, GPR120 expression in adipose tissue is shown to be significantly elevated in obesity. The authors also identify a mutation that inhibits GPR120 signalling activity and is associated with an increased risk for obesity in Europeans. Free fatty acids provide an important energy source as nutrients, and act as signalling molecules in various cellular processes1,2,3,4. Several G-protein-coupled receptors have been identified as free-fatty-acid receptors important in physiology as well as in several diseases3,5,6,7,8,9,10,11,12,13. GPR120 (also known as O3FAR1) functions as a receptor for unsaturated long-chain free fatty acids and has a critical role in various physiological homeostasis mechanisms such as adipogenesis, regulation of appetite and food preference5,6,14,15,16. Here we show that GPR120-deficient mice fed a high-fat diet develop obesity, glucose intolerance and fatty liver with decreased adipocyte differentiation and lipogenesis and enhanced hepatic lipogenesis. Insulin resistance in such mice is associated with reduced insulin signalling and enhanced inflammation in adipose tissue. In human, we show that GPR120 expression in adipose tissue is significantly higher in obese individuals than in lean controls. GPR120 exon sequencing in obese subjects reveals a deleterious non-synonymous mutation (p.R270H) that inhibits GPR120 signalling activity. Furthermore, the p.R270H variant increases the risk of obesity in European populations. Overall, this study demonstrates that the lipid sensor GPR120 has a key role in sensing dietary fat and, therefore, in the control of energy balance in both humans and rodents.

Summary

 Light is a powerful synchronizer of the circadian rhythms, and bright light therapy is known to improve metabolic and hormonal status of circadian rhythm sleep disorders, although its mechanism is poorly understood. In the present study, we revealed that light induces gene expression in the adrenal gland via the suprachiasmatic nucleus (SCN)-sympathetic nervous system. Moreover, this gene expression accompanies the surge of plasma and brain corticosterone levels without accompanying activation of the hypothalamo-adenohypophysial axis. The abolishment after SCN lesioning, and the day-night difference of light-induced adrenal gene expression and corticosterone release, clearly indicate that this phenomenon is closely linked to the circadian clock. The magnitude of corticostereone response is dose dependently correlated with the light intensity. The light-induced clock-dependent secretion of glucocorticoids adjusts cellular metabolisms to the new light-on environment.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) are small noncoding RNAs that negatively regulate protein‐coding genes. To identify miRNAs that have a tumor suppressive function in bladder cancer (BC), 156 miRNAs were screened in 14 BCs, 5 normal bladder epithelium (NBE) samples and 3 BC cell lines. We identified a subset of 7 miRNAs ( miR‐145 , miR‐30a‐3p , miR‐133a , miR‐133b , miR‐195 , miR‐125b and miR‐199a* ) that were significantly downregulated in BCs. To confirm these results, 104 BCs and 31 NBEs were subjected to real‐time RT‐PCR‐based experiments, and the expression levels of each miRNA were significantly downregulated in BCs ( p < 0.0001 in all). Receiver‐operating characteristic curve analysis revealed that the expression levels of these miRNAs had good sensitivity (>70%) and specificity (>75%) to distinguish BC from NBE. Our target search algorithm and gene‐expression profiling in BCs (Kawakami et al ., Oncol Rep 2006;16:521–31) revealed that Keratin7 ( KRT7 ) mRNA was a common target of the downregulated miRNAs, and the mRNA expression levels of KRT7 were significantly higher in BCs than in NBEs ( p = 0.0004). Spearman rank correlation analysis revealed significant inverse correlations between KRT7 mRNA expression and each downregulated miRNA ( p < 0.0001 in all). Gain‐of‐function analysis revealed that KRT7 mRNA was significantly reduced by transfection of 3 miRNAs ( miR‐30‐3p , miR‐133a and miR‐199a* ) in the BC cell line (KK47). In addition, significant decreases in cell growth were observed after transfection of 3 miRNAs and si‐KRT7 in KK47, suggesting that miR‐30‐3p , miR‐133a and miR‐199a* may have a tumor suppressive function through the mechanism underlying transcriptional repression of KRT7 . © 2009 UICC

Malfunction of the circadian clock has been linked to the pathogenesis of a variety of diseases. We show that mice lacking the core clock components Cryptochrome-1 (Cry1) and Cryptochrome-2 (Cry2) (Cry-null mice) show salt-sensitive hypertension due to abnormally high synthesis of the mineralocorticoid aldosterone by the adrenal gland. An extensive search for the underlying cause led us to identify type VI 3beta-hydroxyl-steroid dehydrogenase (Hsd3b6) as a new hypertension risk factor in mice. Hsd3b6 is expressed exclusively in aldosterone-producing cells and is under transcriptional control of the circadian clock. In Cry-null mice, Hsd3b6 messenger RNA and protein levels are constitutively high, leading to a marked increase in 3beta-hydroxysteroid dehydrogenase-isomerase (3beta-HSD) enzymatic activity and, as a consequence, enhanced aldosterone production. These data place Hsd3b6 in a pivotal position through which circadian clock malfunction is coupled to the development of hypertension. Translation of these findings to humans will require clinical examination of human HSD3B1 gene, which we found to be functionally similar to mouse Hsd3b6.

Antibiotics and dietary habits can affect the gut microbial community, thus influencing disease susceptibility. Although the effect of microbiota on the postnatal environment has been well documented, much less is known regarding the impact of gut microbiota at the embryonic stage. Here we show that maternal microbiota shapes the metabolic system of offspring in mice. During pregnancy, short-chain fatty acids produced by the maternal microbiota dictate the differentiation of neural, intestinal, and pancreatic cells through embryonic GPR41 and GPR43. This developmental process helps maintain postnatal energy homeostasis, as evidenced by the fact that offspring from germ-free mothers are highly susceptible to metabolic syndrome, even when reared under conventional conditions. Thus, our findings elaborate on a link between the maternal gut environment and the developmental origin of metabolic syndrome.