Induction of glucose uptake in skeletal muscle by central leptin is mediated by muscle β2-adrenergic receptor but not by AMPK

Leptin increases glucose uptake and fatty acid oxidation (FAO) in red-type skeletal muscle. However, the mechanism remains unknown. We have investigated the role of β2-adrenergic receptor (AR), the major β-AR isoform in skeletal muscle, and AMPK in leptin-induced muscle glucose uptake of mice. Leptin injection into the ventromedial hypothalamus (VMH) increased 2-deoxy-D-glucose (2DG) uptake in red-type skeletal muscle in wild-type (WT) mice accompanied with increased phosphorylation of the insulin receptor (IR) and Akt as well as of norepinephrine (NE) turnover in the muscle. Leptin-induced 2DG uptake was not observed in β-AR-deficient (β-less) mice despite that AMPK phosphorylation was increased in the muscle. Forced expression of β2-AR in the unilateral hind limb of β-less mice restored leptin-induced glucose uptake and enhancement of insulin signalling in red-type skeletal muscle. Leptin increased 2DG uptake and enhanced insulin signalling in red-type skeletal muscle of mice expressing a dominant negative form of AMPK (DN-AMPK) in skeletal muscle. Thus, leptin increases glucose uptake and enhances insulin signalling in red-type skeletal muscle via activation of sympathetic nerves and β2-AR in muscle and in a manner independent of muscle AMPK

Activation of AMPK-Regulated CRH Neurons in the PVH is Sufficient and Necessary to Induce Dietary Preference for Carbohydrate over Fat

Food selection is essential for metabolic homeostasis and is influenced by nutritional state, food palatability, and social factors such as stress. However, the mechanism responsible for selection between a high-carbohydrate diet (HCD) and a high-fat diet (HFD) remains unknown. Here, we show that activation of a subset of corticotropin-releasing hormone (CRH)-positive neurons in the rostral region of the paraventricular hypothalamus (PVH) induces selection of an HCD over an HFD in mice during refeeding after fasting, resulting in a rapid recovery from the change in ketone metabolism. These neurons manifest activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) during food deprivation, and this activation is necessary and sufficient for selection of an HCD over an HFD. Furthermore, this effect is mediated by carnitine palmitoyltransferase 1c (CPT1c). Thus, our results identify the specific neurons and intracellular signaling pathway responsible for regulation of the complex behavior of selection between an HCD and an HFD

Mitochondrial UCP2 in the central regulation of metabolism

Uncoupling protein 2 (UCP2) is a mitochondrial anion carrier protein, which uncouples the oxidative phosphorylation from ATP production by dissipating the proton gradient generated across the mitochondrial inner membrane. UCP2 regulates not only mitochondrial ATP production, but also the generation of reactive oxygen species (ROS), considered important second-messenger signals within the cell. The importance of UCP2 was firstly reported in macrophages and pancreatic beta cells. However, several studies have revealed the important role of UCP2 in the Central Nervous System (CNS) in the regulation of homeostatic mechanisms including food intake, energy expenditure, glucose homeostasis and reward behaviors. The mechanisms by which central UCP2 affect these processes seem to be associated with synaptic and mitochondrial plasticity. In this review, we will describe recent findings on central UCP2 and discuss its role in CNS regulation of homeostasis

Regulatory role of leptin in glucose and lipid metabolism in skeletal muscle

Leptin is a hormone secreted by adipocytes that plays a pivotal role in regulation of food intake, energy expenditure, and neuroendocrine function. Several lines of evidences indicate that independent of the anorexic effect, leptin regulates glucose and lipid metabolism in peripheral tissues in rodents and humans. It has been shown that leptin improves the diabetes phenotype in lipodystrophic patients and rodents. Moreover, leptin suppresses the development of severe, progressive impairment of glucose metabolism in insulin-deficient diabetes in rodents. We found that leptin increases glucose uptake and fatty acid oxidation in skeletal muscle in rats and mice in vivo. Leptin increases glucose uptake in skeletal muscle via the hypothalamic–sympathetic nervous system axis and β-adrenergic mechanism, while leptin stimulates fatty acid oxidation in muscle via AMP-activated protein kinase (AMPK). Leptin-induced fatty acid oxidation results in the decrease of lipid accumulation in muscle, which can lead to functional impairments called as “lipotoxicity.” Activation of AMPK occurs by direct action of leptin on muscle and through the medial hypothalamus–sympathetic nervous system and α-adrenergic mechanism. Thus, leptin plays an important role in the regulation of glucose and fatty acid metabolism in skeletal muscle

Distinct effects of leptin and melanocortin agonist in medial hypothalamic nuclei on glucose uptake in peripheral tissues

　レプチンは脂肪細胞より分泌される抗肥満ホルモンである。レプチンを投与すると摂食量が減少し、エネルギー消費が増加することによって体重が減少する。レプチンによる抗肥満作用の大部分は、視床下部のレプチン受容体を介することが知られている。また、最近の研究により、レプチンの摂食抑制作用は、脳内のメラノコルチン受容体（MCR）を介することも明らかとなった。MCRは、視床下部弓状核（ARC）に存在するpro-opiomelanocortin (POMC)ニューロンから放出されるα-melanocyte-stimulating hormone (α-MSH) によって活性化され、逆にARCに存在するagouti-related peptide(AgRP)発現ニューロンによって抑制される。レプチンはPOMCニューロンを活性化すると同時に、AgRPニューロンを抑制することでMCRを活性化して、抗肥満作用を引き起こす。　最近の研究により、レプチンは、抗肥満作用とは独立に、糖、脂質代謝を強く調節し、抗糖尿病作用を持つことが明らかとなった。 例えば、レプチン欠乏状態にある脂肪萎縮症の症例にレプチンを投与すると、糖尿病や高脂血症が解消されるなどの劇的な治療効果がある。これまでの研究で、レプチンを内側視床下部に投与すると、骨格筋、褐色脂肪（BAT）および心臓において選択的にグルコースの取り込みが増加することが分かっている(Minokoshi Y, et al. Diabetes 48:287, 1999)。しかし、レプチンによる糖代謝調節作用において視床下部のどの神経核が重要であるか、また脳内MCRが関与するか否かは不明である。本研究の目的は、レプチンによる末梢組織での糖代謝調節作用、特に糖取り込み促進作用において、視床下部のどの神経核が重要であるかを、マウスを用いて明らかにすることである。さらに、脳内MCRがレプチンによる糖取り込み促進作用にどのような調節作用を営むかを調べた。　レプチンを内側視床下部に投与したことによるグルコースの取り込み促進作用は交感神経節遮断薬や神経切除によって抑制される (Haque MS, et al. Diabetes 48:1706, 1999)。そこで、内側視床下部の中でレプチン受容体を高発現し、且つ交感神経の活動調節に関与する４つの神経核、腹内側核（VMH）、背内側核（DMH）、室傍核（PVH）およびARCに、レプチンを選択的に投与して末梢組織でのグルコースの取り込みを測定した。グルコースの取り込みは2-[3H]deoxy-D-glucose(2DG)法を用いて測定した。レプチン投与の成否は、レプチンを投与後、それぞれの神経核を採取し、レプチンの細胞内シグナル分子の一つであるsignal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) のリン酸化をウェスタンブロット法で検出することにより確認した。　レプチンをマウスのVMHに投与すると、骨格筋、BATおよび心臓において2DGの取り込みが増加した。レプチンをARCに投与すると、BATにおいてのみ2DGの取り込みが増加した。レプチンをDMHやPVHに投与してもグルコースの取り込みは増加しなかった。レプチンをいずれの神経核に投与しても脾臓および白色脂肪において2DGの取り込みは増加しなかった。これらの結果から、調べた内側視床下部の中でVMHおよびARCのレプチン受容体が、末梢組織のグルコースの取り込みを調節することが明らかとなった。また、VMH及びARCで、その組織が異なることも明らかとなった。　次に、レプチンを末梢に投与した時の２DGの取り込み促進作用に、VMHのレプチン受容体がどのような調節作用を営むかを明らかにするため、レプチン中和抗体を両側VMHに投与した後、レプチンを腹腔内に投与して末梢組織におけるグルコースの取り込みを調べた。レプチンを腹腔内に投与すると、レプチンをVMHに投与した時と同様、骨格筋、BATおよび心臓において2DGの取り込みが増加した。脾臓および白色脂肪では増加しなかった。レプチン中和抗体をVMHに投与すると、レプチンによる上記組織での2DGの取り込み増加作用が抑制された。これらの実験結果から、VMHは、レプチンによる末梢組織でのグルコースの取り込みに必須であることが明らかとなった。　次に脳内MCRが、レプチンによる末梢組織でのグルコースの取り込みにどのような調節作用を及ぼすかを調べた。MCRアンタゴニストであるSHU9119を脳室内に投与すると、レプチンをVMHに投与した時の末梢組織での2DGの取り込み増加作用は完全に抑制された。さらに、MCRアゴニストであるMT-IIを脳室内に投与すると、レプチンと同様、骨格筋、BATおよび心臓において2DGの取り込みが増加した。このことから、レプチンによる末梢組織でのグルコースの取り込みはMCRを介することが明らかとなった。　VMHの一部のニューロンを刺激すると、ARCのα-MSHニューロンが活性化することが示されている（Sternson SM. et al. Nat Neurosci. 8:1356 2005）。また、本研究において、レプチンをVMHに投与すると、VMHだけでなくARCにおいてc-FOSの発現が増加した。これに対して、STAT3は、VMHにおいてのみリン酸化が増加し、ARCでは変化しなかった。この実験結果は、レプチンがVMHニューロンを活性化した後、ARCのα-MSHニューロンを二次的に活性化し、その結果、 末梢組織でのグルコースの取り込みを増加させることを示唆する。　それでは、どの神経核のMCRが末梢組織でのグルコースの取り込みに関与するのであろうか。このことを調べるために、MCRを高発現し、且つ交感神経の活性化に関与するVMH、DMH、PVHおよびARCに、各々MT-IIを選択的に投与して末梢組織でのグルコースの取り込みを測定した。MT-IIをVMHに投与すると、レプチンと同様に、骨格筋、BATおよび心臓において2DGの取り込みが増加した。これに対して、PVHに投与するとBATにおいてのみ2DGの取り込みが増加した。MT-IIをDMHおよびARCに投与しても2DGの取り込みは増加しなかった。　以上の結果から、VMHのレプチン受容体は、レプチンによる骨格筋、BATおよび心臓でのグルコース取り込みに関与することが明らかとなった。また、その作用は脳内のMCRを介することが示された。さらに、VMHはMT-IIによる骨格筋、BATおよび心臓のグルコース取り込みにも関与すること、ARCのレプチン受容体およびPVHのMCRは褐色脂肪でのグルコースの取り込みに関与することが明らかとなった。以上のことから、内側視床下部の各神経核は、レプチンおよびメラノコルチン受容体作動薬による末梢組織のグルコース取り込み促進作用に異なる調節作用を営むことが、本研究において初めて明らかとなった

POMC Neurons: From Birth to Death

The hypothalamus is an evolutionarily conserved brain structure that regulates an organism's basic functions, such as homeostasis and reproduction. Several hypothalamic nuclei and neuronal circuits have been the focus of many studies seeking to understand their role in regulating these basic functions. Within the hypothalamic neuronal populations, the arcuate melanocortin system plays a major role in controlling homeostatic functions. The arcuate pro-opiomelanocortin (POMC) neurons in particular have been shown to be critical regulators of metabolism and reproduction because of their projections to several brain areas both in and outside of the hypothalamus, such as autonomic regions of the brain stem and spinal cord. Here, we review and discuss the current understanding of POMC neurons from their development and intracellular regulators to their physiological functions and pathological dysregulation. </jats:p

PPARγ ablation sensitizes proopiomelanocortin neurons to leptin during high-fat feeding

Activation of central PPARγ promotes food intake and body weight gain; however, the identity of the neurons that express PPARγ and mediate the effect of this nuclear receptor on energy homeostasis is unknown. Here, we determined that selective ablation of PPARγ in murine proopiomelanocortin (POMC) neurons decreases peroxisome density, elevates reactive oxygen species, and induces leptin sensitivity in these neurons. Furthermore, ablation of PPARγ in POMC neurons preserved the interaction between mitochondria and the endoplasmic reticulum, which is dysregulated by HFD. Compared with control animals, mice lacking PPARγ in POMC neurons had increased energy expenditure and locomotor activity; reduced body weight, fat mass, and food intake; and improved glucose metabolism when exposed to high-fat diet (HFD). Finally, peripheral administration of either a PPARγ activator or inhibitor failed to affect food intake of mice with POMC-specific PPARγ ablation. Taken together, our data indicate that PPARγ mediates cellular, biological, and functional adaptations of POMC neurons to HFD, thereby regulating whole-body energy balance

Hypothalamic ventromedial Lin28a enhances glucose metabolism in diet-induced obesity

The Lin28a/Let-7 axis has been studied in peripheral tissues for its role in metabolism regulation. However, its central function remains unclear. Here we found that Lin28a is highly expressed in the hypothalamus compared with peripheral tissues. Its expression is positively correlated with positive energy balance, suggesting a potential central role for Lin28a in metabolism regulation. Thus, we targeted the hypothalamic ventromedial nucleus (VMH) to selectively overexpress (Lin28aKIVMH) or downregulate (Lin28aKDVMH) Lin28a expression in mice. With mice on a standard chow diet, body weight and glucose homeostasis were not affected in Lin28aKIVMH or Lin28aKDVMH mice. On a high-fat diet, although no differences in body weight and composition were observed, Lin28aKIVMH mice showed improved glucose tolerance and insulin sensitivity compared with controls. Conversely, Lin28aKDVMH mice displayed glucose intolerance and insulin resistance. Changes in VMH AKT activation of diet-induced obese Lin28aKIVMH or Lin28aKDVMH mice were not associated with alterations in Let-7 levels or insulin receptor activation. Rather, we observed altered expression of TANK-binding kinase-1 (TBK-1), which was found to be a direct Lin28a target mRNA. VMH-specific inhibition of TBK-1 in mice with diet-induced obesity impaired glucose metabolism and AKT activation. Altogether, our data show a TBK-1–dependent role for central Lin28a in glucose homeostasis.</jats:p