The risk determinants of type 1 diabetes, initiators of autoimmune response, mechanisms regulating progress toward β cell failure, and factors determining time of presentation of clinical diabetes are poorly understood. We investigated changes in the serum metabolome prospectively in children who later progressed to type 1 diabetes. Serum metabolite profiles were compared between sample series drawn from 56 children who progressed to type 1 diabetes and 73 controls who remained nondiabetic and permanently autoantibody negative. Individuals who developed diabetes had reduced serum levels of succinic acid and phosphatidylcholine (PC) at birth, reduced levels of triglycerides and antioxidant ether phospholipids throughout the follow up, and increased levels of proinflammatory lysoPCs several months before seroconversion to autoantibody positivity. The lipid changes were not attributable to HLA-associated genetic risk. The appearance of insulin and glutamic acid decarboxylase autoantibodies was preceded by diminished ketoleucine and elevated glutamic acid. The metabolic profile was partially normalized after the seroconversion. Autoimmunity may thus be a relatively late response to the early metabolic disturbances. Recognition of these preautoimmune alterations may aid in studies of disease pathogenesis and may open a time window for novel type 1 diabetes prevention strategies.

The acquired component of complex traits is difficult to dissect in humans. Obesity represents such a trait, in which the metabolic and molecular consequences emerge from complex interactions of genes and environment. With the substantial morbidity associated with obesity, a deeper understanding of the concurrent metabolic changes is of considerable importance. The goal of this study was to investigate this important acquired component and expose obesity-induced changes in biological pathways in an identical genetic background.We used a special study design of "clonal controls," rare monozygotic twins discordant for obesity identified through a national registry of 2,453 young, healthy twin pairs. A total of 14 pairs were studied (eight male, six female; white), with a mean +/- standard deviation (SD) age 25.8 +/- 1.4 y and a body mass index (BMI) difference 5.2 +/- 1.8 kg/m(2). Sequence analyses of mitochondrial DNA (mtDNA) in subcutaneous fat and peripheral leukocytes revealed no aberrant heteroplasmy between the co-twins. However, mtDNA copy number was reduced by 47% in the obese co-twin's fat. In addition, novel pathway analyses of the adipose tissue transcription profiles exposed significant down-regulation of mitochondrial branched-chain amino acid (BCAA) catabolism (p < 0.0001). In line with this finding, serum levels of insulin secretion-enhancing BCAAs were increased in obese male co-twins (9% increase, p = 0.025). Lending clinical relevance to the findings, in both sexes the observed aberrations in mitochondrial amino acid metabolism pathways in fat correlated closely with liver fat accumulation, insulin resistance, and hyperinsulinemia, early aberrations of acquired obesity in these healthy young adults.Our findings emphasize a substantial role of mitochondrial energy- and amino acid metabolism in obesity and development of insulin resistance.