The relative roles of obesity, insulin resistance, insulin secretory dysfunction, and excess hepatic glucose production in the development of non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) are controversial. We conducted a prospective study to determine which of these factors predicted the development of the disease in a group of Pima Indians.

The contribution of reduced energy expenditure to the development of obesity has been a point of controversy. We measured 24-hour energy expenditure (adjusted for body composition, age, and sex), in a respiratory chamber, in 95 southwestern American Indians. Energy expenditure correlated with the rate of change in body weight over a two-year follow-up period (r = -0.39, P<0.001). The estimated risk of gaining more than 7.5 kg in body weight was increased fourfold in persons with a low adjusted 24-hour energy expenditure (200 kcal per day below predicted values) as compared with persons with a high 24-hour energy expenditure (200 kcal per day above predicted values; P<0.01). In another 126 subjects, the adjusted metabolic rate at rest at the initial visit was also found to predict the gain in body weight over a four-year follow-up period. When the 15 subjects who gained more than 10 kg were compared with the remaining 111 subjects, the initial mean (±SD) adjusted metabolic rate at rest was lower in those who gained weight (1694±103 vs. 1764±109 kcal per day; P<0.02) and increased to 1813±134 kcal per day (P<0.01) after a mean weight gain of 15.7±5.7 kg. In a group of 94 siblings from 36 families, values for adjusted 24-hour energy expenditure aggregated in families (intraclass correlation = 0.48). We conclude that a low rate of energy expenditure may contribute to the aggregation of obesity in families. (N Engl J Med 1988; 318:467–72.)

In animal studies, increased amounts of triglyceride associated with skeletal muscle (mTG) correlate with reduced skeletal muscle and whole body insulin action. The aim of this study was to test this relationship in humans. Subjects were 38 nondiabetic male Pima Indians (mean age 28 ± 1 years). Insulin sensitivity at physiological (M) and supraphysiological (MZ) insulin levels was assessed by the euglycemic clamp. Lipid and carbohydrate oxidation were determined by indirect calorimetry before and during insulin administration. mTG was determined in vastus lateralis muscles obtained by percutaneous biopsy. Percentage of body fat (mean 29 ± 1%, range 14–44%) was measured by underwater weighing. In simple regressions, negative relationships were found between mTG (mean 5.4 ± 0.3 μmol/g, range 1.3–1.9 μmol/g) and log10M (r = −0.53, P ≤ 0.001), MZ (r = −0.44, P = 0.006), and nonoxidative glucose disposal (r = −0.48 and −0.47 at physiological and supraphysiological insulin levels, respectively, both P = 0.005) but not glucose or lipid oxidation. mTG was not related to any measure of adiposity. In multiple regressions, measures of insulin resistance (log10M, MZ, log10[fasting insulin]) were significantly related to mTG independent of all measures of obesity (percentage of body fat, BMI, waist-to-thigh ratio). In turn, all measures of obesity were related to the insulin resistance measures independent of mTG. The obesity measures and mTG accounted for similar proportions of the variance in insulin resistance in these relationships. The results suggest that in this human population, as in animal models, skeletal muscle insulin sensitivity is strongly influenced by local supplies of triglycerides, as well as by remote depots and circulating lipids. The mechanism(s) underlying the relationship between mTG and insulin action on skeletal muscle glycogen synthesis may be central to an understanding of insulin resistance.

Daily human energy requirements calculated from separate components of energy expenditure are inaccurate and usually in poor agreement with measured energy intakes. Measurement of energy expenditure over periods of 24 h or longer is needed to determine more accurately rates of daily energy expenditure in humans. We provide a detailed description of a human respiratory chamber and methods used to determine rates of energy expenditure over 24-h periods in 177 subjects. The results show that: fat-free mass (FFM) as estimated by densitometry is the best available determinant of 24-h energy expenditures (24EE) and explains 81% of the variance observed between individuals (24EE [kcal/d] = 597 + 26.5 FFM); 24EE in an individual is very reproducible (coefficient of variation = 2.4%); and even when adjusted for differences in FFM, there is still considerable interperson variability of the daily energy expenditure. A large portion of the variability of 24EE among individuals, independent of differences in body size, was due to variability in the degree of spontaneous physical activity, i.e., "fidgeting," which accounted for 100-800 kcal/d in these subjects.

We have compared the capillary density and muscle fiber type of musculus vastus lateralis with in vivo insulin action determined by the euglycemic clamp (M value) in 23 Caucasians and 41 Pima Indian nondiabetic men. M value was significantly correlated with capillary density (r = 0.63; P less than or equal to 0.0001), percent type I fibers (r = 0.29; P less than 0.02), and percent type 2B fibers (r = -0.38; P less than 0.003). Fasting plasma glucose and insulin concentrations were significantly negatively correlated with capillary density (r = -0.46, P less than or equal to 0.0001; r = -0.47, P less than or equal to 0.0001, respectively). Waist circumference/thigh circumference ratio was correlated with percent type 1 fibers (r = -0.39; P less than 0.002). These results suggest that diffusion distance from capillary to muscle cells or some associated biochemical change, and fiber type, could play a role in determining in vivo insulin action. The association of muscle fiber type with body fat distribution may indicate that central obesity is only one aspect of a more generalized metabolic syndrome. The data may provide at least a partial explanation for the insulin resistance associated with obesity and for the altered kinetics of insulin action in the obese.

Reduced oxidation of fat leading to a positive fat balance could be a factor in the development of obesity. Twenty-four-hour respiratory quotient (RQ) was measured in 152 nondiabetic Pima Indians fed a weight-maintenance diet [87 males and 65 females; 27 +/- 6 yr (mean +/- SD); 93.9 +/- 22.9 kg; 32 +/- 9% fat]. Twenty-four-hour RQ varied from 0.799 to 0.903. Prior change in body weight, 24-h energy balance, sex, and percent body fat explained 18% of the variance in 24-h RQ (P less than 0.001). In a subgroup of 66 siblings from 28 families, family membership explained 28% of the remaining variance in 24-h RQ (P less than 0.05). In 111 subjects for whom follow-up data (25 +/- 11 mo) were available, 24-h RQ was correlated with subsequent changes in body weight and fat mass (r = 0.27, P less than 0.01 and r = 0.19, P less than 0.05, respectively). Subjects with higher 24-h RQ (90th percentile) independent of 24-h energy expenditure were at 2.5 times higher risk of gaining greater than or equal to 5 kg body weight than those with lower 24-h RQ (10th percentile). We conclude that in Pima Indians fed a standard diet 1) family membership is the principal determinant of the ratio of fat to carbohydrate oxidation, and 2) a low ratio of fat to carbohydrate oxidation is associated with subsequent weight gain independent of low energy expenditure and may contribute to the familial aggregation of obesity.

Impaired glucose tolerance often presages the development of non-insulin-dependent diabetes mellitus. We have studied insulin action and secretion in 24 Pima Indians before and after the development of impaired glucose tolerance and in 254 other subjects representing the whole spectrum of glucose tolerance, including subjects with overt non-insulin-dependent diabetes. The transition from normal to impaired glucose tolerance was associated with a decrease in glucose uptake during hyperinsulinemia, from 0.018 to 0.016 mmol per minute (from 3.3 to 2.8 mg per kilogram of fat-free body mass per minute) (P less than 0.0003). Mean plasma insulin concentrations increased during an oral glucose-tolerance test, from 1200 to 1770 pmol per liter (from 167 to 247 microU per milliliter). In 151 subjects with normal glucose tolerance, the insulin concentration measured during an oral glucose-tolerance test correlated with the plasma glucose concentration (r = 0.48, P less than or equal to 0.0001). This relation was used to predict an insulin concentration of 1550 pmol per liter (216 microU per milliliter) in subjects with impaired glucose tolerance (actual value, 1590 pmol per liter [222 microU per milliliter]; P not significant), suggesting that these subjects had normal secretion of insulin. In contrast, plasma insulin concentrations in the diabetics decreased as glucose concentrations increased (r = -0.75, P less than or equal to 0.0001), suggesting deficient secretion of insulin. This relative insulin deficiency first appears at the lower end of the second (diabetic) mode seen in population frequency distributions of plasma glucose concentrations. Our data show that impaired glucose tolerance in our study population is primarily due to impaired insulin action. In patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus, by contrast, impaired insulin action and insulin secretory failure are both present.

Insulin resistance and the concomitant compensatory hyperinsulinemia have been implicated in the pathogenesis of hypertension. However, reports on the relation between insulin and blood pressure are inconsistent. This study was designed to investigate the possibility of racial differences in this relation.

The relationships between insulin secretion, insulin action, and fasting plasma glucose concentration (FPG) were examined in 34 southwest American Indians (19 nondiabetics, 15 noninsulin-dependent diabetics) who had a broad range of FPG (88-310 mg/100 ml). Fasting, glucose-stimulated, and meal-stimulated plasma insulin concentrations were negatively correlated with FPG in diabetics but not in nondiabetics. In contrast, fasting and glucose-stimulated plasma C-peptide concentrations did not decrease with increasing FPG in either group and 24-h urinary C-peptide excretion during a diet of mixed composition was positively correlated with FPG for all subjects (r = 0.36, P less than 0.05). Fasting free fatty acid (FFA) was correlated with FPG in nondiabetics (r = 0.49, P less than 0.05) and diabetics (r = 0.77, P less than 0.001). Fasting FFA was also correlated with the isotopically determined endogenous glucose production rate in the diabetics (r = 0.54, P less than 0.05). Endogenous glucose production was strongly correlated with FPG in the diabetics (r = 0.90, P less than 0.0001), but not in the nondiabetics. Indirect calorimetry showed that FPG was also negatively correlated with basal glucose oxidation rates (r = -0.61, P less than 0.001), but positively with lipid oxidation (r = 0.74, P less than 0.001) in the diabetics. Insulin action was measured as total insulin-mediated glucose disposal, glucose oxidation, and storage rates, using the euglycemic clamp with simultaneous indirect calorimetry at plasma insulin concentrations of 135 +/- 5 and 1738 +/- 59 microU/ml. These parameters of insulin action were significantly, negatively correlated with FPG in the nondiabetics at both insulin concentrations, but not in the diabetics although all the diabetics had markedly decreased insulin action. We conclude that decreased insulin action is present in the noninsulin-dependent diabetics in this population and marked hyperglycemia occurs with the addition of decreased peripheral insulin availability. Decreased peripheral insulin availability leads to increased FFA concentrations and lipid oxidation rates (and probably also increased concentrations of gluconeogenic precursors) that together stimulate gluconeogenesis, hepatic glucose production, and progressive hyperglycemia.

Human obesity is known to be a familial disorder. We studied 130 nondiabetic adult southwestern American Indians (74 men and 56 women) from 54 families to determine whether the resting metabolic rate, as measured by indirect calorimetry, is a familial trait that is independent of individual differences in fat-free mass (estimated mass of metabolically active tissue), age, and sex. We found that most of the variance in the resting metabolic rate (83 percent, P less than 0.0001) was accounted for by three covariates--fat-free mass, age, and sex--and that fat-free mass was the most important determinant. Family membership accounted for an additional 11 percent (P less than 0.0001) of the variance in the resting metabolic rate. Thus, resting metabolic rate is a familial trait in this population, and it is independent of differences in fat-free mass, age, and sex. We also found that persons from families with lower resting metabolic rates were no more obese than persons from families with higher metabolic rates. This finding may be partly explained by the close correlation between fat-free mass and percentage of body fat (r = 0.81, P less than 0.0001), which indicates that the resting metabolic rate, as adjusted for fat-free mass, is already partly adjusted for obesity. Only prospective studies will elucidate whether the familial dependence of the resting metabolic rate is a contributing mechanism to the familial predisposition to obesity.