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.

Obesity is linked to a variety of metabolic disorders, such as insulin resistance and atherosclerosis. Dysregulated production of fat-derived secretory factors, adipocytokines, is partly responsible for obesity-linked metabolic disorders. However, the mechanistic role of obesity per se to adipocytokine dysregulation has not been fully elucidated. Here, we show that adipose tissue of obese mice is hypoxic and that local adipose tissue hypoxia dysregulates the production of adipocytokines. Tissue hypoxia was confirmed by an exogenous marker, pimonidazole, and by an elevated concentration of lactate, an endogenous marker. Moreover, local tissue hypoperfusion (measured by colored microspheres) was confirmed in adipose tissue of obese mice. Adiponectin mRNA expression was decreased, and mRNA of C/EBP homologous protein (CHOP), an endoplasmic reticulum (ER) stress–mediated protein, was significantly increased in adipose tissue of obese mice. In 3T3-L1 adipocytes, hypoxia dysregulated the expression of adipocytokines, such as adiponectin and plasminogen activator inhibitor type-1, and increased the mRNAs of ER stress marker genes, CHOP and GRP78 (glucose-regulated protein, 78 kD). Expression of CHOP attenuated adiponectin promoter activity, and RNA interference of CHOP partly reversed hypoxia-induced suppression of adiponectin mRNA expression in adipocytes. Hypoxia also increased instability of adiponectin mRNA. Our results suggest that hypoperfusion and hypoxia in adipose tissues underlie the dysregulated production of adipocytokines and metabolic syndrome in obesity.

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.

Lack of diversity and proportionate representation in genomics datasets and databases contributes to inequity in healthcare outcomes globally. The relationships of human diversity with biological and biomedical phenotypes are pervasive, yet remain understudied, particularly in a single-cell genomics context. Here we present the Asian Immune Diversity Atlas (AIDA), a multi-national single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) healthy reference atlas of human immune cells. AIDA comprises 1,265,624 circulating immune cells from 619 healthy donors and 6 controls, spanning 7 population groups across 5 countries. AIDA is one of the largest healthy blood datasets in terms of number of cells, and also the most diverse in terms of number of population groups. Though population groups are frequently compared at the continental level, we identified a pervasive impact of sub-continental diversity on cellular and molecular properties of immune cells. These included cell populations and genes implicated in disease risk and pathogenesis as well as those relevant for diagnostics. We detected single-cell signatures of human diversity not apparent at the level of cell types, as well as modulation of the effects of age and sex by self-reported ethnicity. We discovered functional genetic variants influencing cell type-specific gene expression, including context-dependent effects, which were under-represented in analyses of non-Asian population groups, and which helped contextualise disease-associated variants. We validated our findings using multiple independent datasets and cohorts. AIDA provides fundamental insights into the relationships of human diversity with immune cell phenotypes, enables analyses of multi-ancestry disease datasets, and facilitates the development of precision medicine efforts in Asia and beyond.