FGF21 is a novel metabolic regulator involved in the control of glucose homeostasis, insulin sensitivity, and ketogenesis. The liver has been considered the main site of production and release of FGF21 into the blood. Here, we show that, after thermogenic activation, brown adipose tissue becomes a source of systemic FGF21. This is due to a powerful cAMP-mediated pathway of regulation of FGF21 gene transcription. Norepinephrine, acting via β-adrenergic, cAMP-mediated, mechanisms and subsequent activation of protein kinase A and p38 MAPK, induces FGF21 gene transcription and also FGF21 release in brown adipocytes. ATF2 binding to the FGF21 gene promoter mediates cAMP-dependent induction of FGF21 gene transcription. FGF21 release by brown fat in vivo was assessed directly by analyzing arteriovenous differences in FGF21 concentration across interscapular brown fat, in combination with blood flow to brown adipose tissue and assessment of FGF21 half-life. This analysis demonstrates that exposure of rats to cold induced a marked release of FGF21 by brown fat in vivo, in association with a reduction in systemic FGF21 half-life. The present findings lead to the recognition of a novel pathway of regulation the FGF21 gene and an endocrine role of brown fat, as a source of FGF21 that may be especially relevant in conditions of activation of thermogenic activity. FGF21 is a novel metabolic regulator involved in the control of glucose homeostasis, insulin sensitivity, and ketogenesis. The liver has been considered the main site of production and release of FGF21 into the blood. Here, we show that, after thermogenic activation, brown adipose tissue becomes a source of systemic FGF21. This is due to a powerful cAMP-mediated pathway of regulation of FGF21 gene transcription. Norepinephrine, acting via β-adrenergic, cAMP-mediated, mechanisms and subsequent activation of protein kinase A and p38 MAPK, induces FGF21 gene transcription and also FGF21 release in brown adipocytes. ATF2 binding to the FGF21 gene promoter mediates cAMP-dependent induction of FGF21 gene transcription. FGF21 release by brown fat in vivo was assessed directly by analyzing arteriovenous differences in FGF21 concentration across interscapular brown fat, in combination with blood flow to brown adipose tissue and assessment of FGF21 half-life. This analysis demonstrates that exposure of rats to cold induced a marked release of FGF21 by brown fat in vivo, in association with a reduction in systemic FGF21 half-life. The present findings lead to the recognition of a novel pathway of regulation the FGF21 gene and an endocrine role of brown fat, as a source of FGF21 that may be especially relevant in conditions of activation of thermogenic activity.

Thermogenesis in brown adipose tissue (BAT) is fundamental to energy balance and is also relevant for humans. Bone morphogenetic proteins (BMPs) regulate adipogenesis, and, here, we describe a role for BMP8B in the direct regulation of thermogenesis. BMP8B is induced by nutritional and thermogenic factors in mature BAT, increasing the response to noradrenaline through enhanced p38MAPK/CREB signaling and increased lipase activity. Bmp8b−/− mice exhibit impaired thermogenesis and reduced metabolic rate, causing weight gain despite hypophagia. BMP8B is also expressed in the hypothalamus, and Bmp8b−/− mice display altered neuropeptide levels and reduced phosphorylation of AMP-activated protein kinase (AMPK), indicating an anorexigenic state. Central BMP8B treatment increased sympathetic activation of BAT, dependent on the status of AMPK in key hypothalamic nuclei. Our results indicate that BMP8B is a thermogenic protein that regulates energy balance in partnership with hypothalamic AMPK. BMP8B may offer a mechanism to specifically increase energy dissipation by BAT.

Plasma FGF21 levels and hepatic FGF21 gene expression increase dramatically after birth in mice. This induction is initiated by suckling, requires lipid intake, is impaired in PPARα null neonates, and is mimicked by treatment with the PPARα activator, Wy14,643. Neonates exhibit reduced FGF21 expression in response to fasting, in contrast to the upregulation occurring in adults. Changes in FGF21 expression due to suckling or nutritional manipulations were associated with circulating free fatty acid and ketone body levels. We mimicked the FGF21 postnatal rise by injecting FGF21 into fasting neonates, and found that this enhanced the expression of genes involved in thermogenesis within brown fat, and increased body temperature. Brown adipocytes treated with FGF21 exhibited increased expression of thermogenic genes, higher total and uncoupled respiration, and enhanced glucose oxidation. We propose that the induction of FGF21 production by the liver mediates direct activation of brown fat thermogenesis during the fetal-to-neonatal transition.

Fibroblast growth factor 21 is an endocrine factor, secreted mainly by the liver, that exerts metabolic actions that favour glucose metabolism. Its role in the heart is unknown. Here we show that Fgf21−/− mice exhibit an increased relative heart weight and develop enhanced signs of dilatation and cardiac dysfunction in response to isoproterenol infusion, indicating eccentric hypertrophy development. In addition, Fgf21−/− mice exhibit enhanced induction of cardiac hypertrophy markers and pro-inflammatory pathways and show greater repression of fatty acid oxidation. Most of these alterations are already present in Fgf21−/− neonates, and treatment with fibroblast growth factor 21 reverses them in vivo and in cultured cardiomyocytes. Moreover, fibroblast growth factor 21 is expressed in the heart and is released by cardiomyocytes. Fibroblast growth factor 21 released by cardiomyocytes protects cardiac cells against hypertrophic insults. Therefore, the heart appears to be a target of systemic, and possibly locally generated, fibroblast growth factor 21, which exerts a protective action against cardiac hypertrophy. Fibroblast growth factor 21 (FGF21) regulates energy metabolism in peripheral tissues. Here Planavila and colleagues show that FGF21 also acts directly on cardiomyocytes, thereby protecting mice against cardiac hypertrophy.

Peroxisome proliferator activated receptor α (PPARα) is a distinctive marker of the brown fat phenotype that has been proposed to coordinate the transcriptional activation of genes for lipid oxidation and for thermogenic uncoupling protein 1 in brown adipose tissue. Here, we investigated the involvement of PPARα in the transcriptional control of the PPARγ coactivator (PGC)-1α gene. Treatment with PPARα agonists induced PGC-1α mRNA expression in brown fat in vivo and in primary brown adipocytes. This enhancement of PGC-1α transcription was mediated by PPARα binding to a PPAR-responsive element in the distal PGC-1α gene promoter. PGC-1α gene expression was decreased in PPARα-null brown fat, both under basal conditions and in response to thermogenic activation. Moreover, PPARα- and cAMP-mediated pathways interacted to control PGC-1α transcription. PRDM16 (PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain-containing 16) promoted PPARα induction of PGC-1α gene transcription, especially under conditions in which protein kinase A pathways were activated. This enhancement was associated with the interaction of PRDM16 with the PGC-1α promoter at the PPARα-binding site. In addition, PPARα promoted the expression of the PRDM16 gene in brown adipocytes, and activation of PPARα in human white adipocytes led to the appearance of a brown adipocyte pattern of gene expression, including induction of PGC-1α and PRDM16. Collectively, these results suggest that PPARα acts as a key component of brown fat thermogenesis by coordinately regulating lipid catabolism and thermogenic gene expression via induction of PGC-1α and PRDM16.