contributes to the regulation of energy balance

156
CaMKK2 CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE by Fumin Lin Department of Pharmacology and Cancer Biology Duke University Date:_______________________ Approved: ___________________________ Anthony R. Means, Supervisor ___________________________ Christopher B. Newgard ___________________________ Donald P. McDonnell ___________________________ Deborah M. Muoio Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Pharmacology and Cancer Biology in the Graduate School of Duke University 2011

Upload: others

Post on 31-May-2022

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

CaMKK2 CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE 

by 

Fumin Lin 

Department of Pharmacology and Cancer Biology Duke University 

 

Date:_______________________ Approved: 

 ___________________________ Anthony R. Means, Supervisor 

 ___________________________ 

Christopher B. Newgard  

___________________________ Donald P. McDonnell 

 ___________________________ 

Deborah M. Muoio      

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of 

Pharmacology and Cancer Biology in the Graduate School of Duke University 

 2011 

 

 

 

Page 2: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

ABSTRACT

CaMKK2 CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE 

by 

Fumin Lin 

Department of Pharmacology and Cancer Biology Duke University 

 

Date:_______________________ Approved: 

 ___________________________ Anthony R. Means, Supervisor 

 ___________________________ 

Christopher B. Newgard  

___________________________ Donald P. McDonnell 

 ___________________________ 

Deborah M. Muoio  

 

An abstract of a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of 

Pharmacology and Cancer Biology in the Graduate School of Duke University 

 2011 

 

Page 3: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

                                    

Copyright by Fumin Lin 

2011  

 

Page 4: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

iv

Abstract The  incidence  of  obesity  and  associated  diseases  such  as  type  2‐diabetes  and 

hypertension has reached epidemic portions worldwide and attracted increased interest 

to understand the mechanisms that are responsible for these diseases. Obesity can result 

from excessive energy  intake, and  increasing evidence has emphasized  the  role of  the 

central nervous  system, especially  the hypothalamus,  in  regulating  food  intake. White 

adipose, as a direct  target of obesity and an  important endocrine organ, also has  long 

been a subject of scientific inquiry. AMPK, a conserved energy sensor, has been shown 

to play important roles in both the hypothalamus and adipose. Recently, CaMKK2 was 

shown  to  function as an AMPK kinase. I used  intracerebroventricular cannulation as a 

means  to  acutely  inhibit  hypothalamic  CaMKK2  with  STO‐609  and  characterize  the 

appetite change associated with loss of CaMKK2 function. Infusion of STO‐609 in wild‐

type mice,  but  not CaMKK2‐null mice,  inhibited  appetite  and  promoted weight  loss 

consistent with reduced NPY and AgRP mRNA. Furthermore,  intraperitoneal  injection 

of  ghrelin  increased  food  intake  in wild‐type  but  not  CaMKK2‐null mice,  and  2‐DG 

increased appetite in both types of mice, indicating that CaMKK2 functions downstream 

of  ghrelin  to  activate  AMPK  and  upregulate  appetite.  As  CaMKK2‐null  mice  were 

protected  from high‐fat diet‐induced obesity and diabetes,  I performed a pair  feeding 

experiment using a high‐fat diet and demonstrated that protection of CaMKK2‐null mice 

Page 5: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

v

did  not  require  reduced  food  consumption.  Analysis  of  brown  adipose  tissue  and 

metabolic analysis  indicated  that CaMKK2‐null mice did not expend more energy  than 

WT mice.    Interestingly, we were  surprised  to  find  that CaMKK2‐null mice had more 

adipose  than wild‐type mice when  fed  standard  chow  (5001).  By  real‐time  PCR  and 

immunoblot,  I  identified  CaMKK2  expression  in  preadipocytes  and  showed  that  it 

decreased during adipogenesis. I used STO‐609 or shRNA to block CaMKK2 activity in 

preadipocytes,  which  resulted  in  enhanced  adipogenesis  and  increased  mRNA  of 

adipogenic genes. I also identified AMPK as the relevant downstream target of CaMKK2 

involved  in  inhibiting  adipogenesis  via  a  pathway  that  maintained  Pref‐1  mRNA. 

Consistent with the in vitro data, we further demonstrated that CaMKK2‐null mice have 

more adipocytes but  fewer preadipocytes, which  supports our hypothesis  that  loss of 

CaMKK2 enhances adipogenesis by depleting the preadipocyte pool. Together the data 

presented  herein  contribute  to  our  understanding  of  distinct mechanisms  by  which 

CaMKK2 contributes to feeding behavior and adipogenesis. 

 

Page 6: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

vi

Contents

Abstract .........................................................................................................................................iv

List of Tables.............................................................................................................................. viii

List of Figures ...............................................................................................................................ix

List of Abbreviations ...................................................................................................................xi 

Acknowledgements ...................................................................................................................xiv

1. Introduction ............................................................................................................................... 1

1.1 Regulation of Food Intake in Hypothalamus ............................................................... 1

1.2 Adipogenesis..................................................................................................................... 8

1.3 Calcium/camodulin‐dependent Protein Kinase Cascades ....................................... 13

1.3.1 Structures of CaMKK, CaMKI and CaMKIV......................................................... 15

1.3.2 CaMKK ....................................................................................................................... 17

1.4 AMPK............................................................................................................................... 19

1.4.1 Structure and Regulation of AMPK........................................................................ 20

1.4.2 Regulation of Energy Balance by AMPK in the Hypothalamus......................... 21

1.4.3 Regulation of Energy Balance by AMPK in Peripheral Tissues ......................... 25

1.4.4 Regulation of Adipogenesis by AMPK .................................................................. 26

2. Materials and Methods........................................................................................................... 29

2.1 Animal Experiment ........................................................................................................ 29

2.2 Adipose Tissue Analysis ............................................................................................... 33

2.3 Cell Isolation, Cell Culture and Induction of Adipogenesis .................................... 35

Page 7: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

vii

2.4 RNA and Protein Analysis............................................................................................ 40

2.5 RNAi, Transfections and Virus Infections .................................................................. 46

3. CaMKK2 Contributes to the Hypothalamic Regulation of Energy Balance................... 48

3.1 Introduction..................................................................................................................... 48

3.2 Results .............................................................................................................................. 50

3.3 Discussion........................................................................................................................ 65

4. CaMKK2 Regulation of Food Intake and Energy Balance Can Be Uncoupled .............. 67

4.1 Introduction..................................................................................................................... 67

4.2 Results .............................................................................................................................. 69

4.3 Discussion........................................................................................................................ 78

5. CaMKK2 Inhibits Preadipocyte Differentiation ................................................................. 80

5.1 Introduction..................................................................................................................... 80

5.2 Results .............................................................................................................................. 82

5.3 Discussion...................................................................................................................... 103

6. Future Directions .................................................................................................................. 110

References .................................................................................................................................. 120

Biography................................................................................................................................... 142

 

Page 8: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

viii

List of Tables Table 1: Formula of diets............................................................................................................ 32

Table 2: Antibodies ..................................................................................................................... 42

Table 3: RT‐PCR primers............................................................................................................ 45

Table 4: siRNA targeting AMPKα ............................................................................................ 47

 

Page 9: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

ix

List of Figures Figure 1: Transcriptional regulation of adipogenesis ............................................................ 12

Figure 2: Pref‐1 inhibition of adipogenesis.............................................................................. 13

Figure 3: CaMK cascades ........................................................................................................... 15

Figure 4: Schematic of CaMKs domains .................................................................................. 16

Figure 5: Domain structures of α, β and γ subunits of AMPK............................................. 22

Figure 6: CaMKK2 is expressed in the hypothalamus and regulates NPY ........................ 53

Figure 7: Ca2+‐dependent induction of NPY expression in N38 cells is blocked by STO‐609 ................................................................................................................................................. 56

Figure 8: Deletion or inhibition of CaMKK2 inhibits food intake........................................ 59

Figure 9: CaMKK2‐null mice consume less food and are resistant to high‐fat diet‐induced adiposity, glucose intolence and insulin resistence ............................................................... 63

Figure 10: CaMKK2‐null mice have the same food intake but less body weight gain in high‐fat diet pair feeding ........................................................................................................... 70

Figure 11: CaMKK2‐null mice gained less adiposity and remained glucose tolerant and insulin sensive compared to pair‐fed WT mice ...................................................................... 71

Figure 12: CaMKK2‐null mice have increased BAT and enhanced cold‐induced thermogenesis on standard chow............................................................................................. 73

Figure 13: CaMKK2‐null mice have less BAT and produce less heat when fed high‐fat diet................................................................................................................................................. 75

Figure 14: Adipocyte analysis of WAT from WT and CaMKK2‐null mice fed different diets............................................................................................................................................... 76

Figure 15: Adiposity analysis on retroperitoneal and epididymal fat pads in WT and CaMKK2‐null mice fed different diets...................................................................................... 77

Figure 16: Expression of CaMKK2 in preadipocytes ............................................................. 83

Page 10: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

x

Figure 17: CaMKK2 mRNA and protein expression decreases after adipogenesis ........... 86

Figure 18: Loss of CaMKK2 activity enhances adipogenesis................................................ 89

Figure 19: CaMKK2‐null MEFs and preadipocytes exhibit no growth defect .................... 91

Figure 20: CaMKK2 works through AMPK to inhibit adipogenesis ................................... 93

Figure 21: CaMKK2 phosphorylates AMPK in preadipocytes............................................. 96

Figure 22: Loss of CaMKK2 activity increases adipogenic gene transcripts during adipogenesis ................................................................................................................................ 99

Figure 23: CaMKK2 maintains Pref‐1 mRNA........................................................................ 102

Figure 24: AMPK maintains Pref‐1 mRNA............................................................................ 105

Figure 25: CaMKK2‐null mice have fewer preadipocytes and more adipocytes in gonadal WAT............................................................................................................................................ 107

 

 

 

Page 11: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

xi

List of Abbreviations

ACC  acetyl CoA carboxylase 

AgRP  agouti‐related 

AICAR  5‐aminoimidazole‐4‐carboxamide ribonucleoside  

AMPK  AMP‐activated protein kinase 

aP2  adipocyte protein 2 

ARC  arcuate nucleus 

BAT  brown adipose tissue  

C/EBP  CCAAT/enhancer binding protein  

CaM   calmodulin 

CaMKI  Ca2+/CaM‐dependent protein kinase I 

CaMKII  Ca2+/CaM‐dependent protein kinase II 

CaMKIV  Ca2+/CaM‐dependent protein kinase IV 

CaMKK  Ca2+/CaM‐dependent protein kinase kinase 

CART  cocaine‐ and amphetamine‐regulated transcript 

CNS  central nervous system 

CPT1  carnitine palmitoyl‐CoA transferase‐1 

DEXA  dual energy X‐ray absorptiometry  

Page 12: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

xii

ER  endoplasmic reticulum 

ERK  extracellular signal‐regulated kinase 

Fas  fatty acid synthase 

GHSR  growth hormone secretagogue receptor 

Glut4  glucose transporter type 4 

i.c.v.  intracerebroventricular 

i.p.  intraperitoneal 

IRS‐1  insulin receptor substrate 1 

JAK2  janus kinase 2 

MCH  melanin‐concentrating hormone  

MEF  mouse embryo fibroblast 

mTOR  mammalian target of rapamycin  

NPY  neuropeptide Y 

PCR  Polymerase chain reaction 

PKA  protein kinase A 

PKB  protein kinase B 

POMC  pro‐opiomelanocortin 

PPARγ  peroxisome proliferator‐activated receptor γ 

Page 13: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

xiii

Pref‐1  preadipocyte factor 1 

Ser  serine 

shRNA short hairpin RNA 

siRNA small interfering RNA

SNS  sympathetic nervous system 

Sox9  SRY (sex determining region Y)‐box 9 

STAT3  signal transducer and activator of transcription 3 

TACE  tumor necrosis factor‐α converting enzyme 

Thr  threonine 

UCP1  uncoupling protein 1 

VMH  ventromedial hypothalamus 

WAT  white adipose tissue 

WT  wild type  

Page 14: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

 

xiv

Acknowledgements  

 I would first and foremost like to express my gratitude to my thesis advisor, Dr. 

Anthony Means  for  the  freedom and encouragement he has given me  in pursuing my 

project. He  has  demonstrated  a  breadth  of  knowledge  and  incredible  enthusiasm  in 

scientific research. His skill  in  logical  thinking and  identifying  the key of a question  is 

what I could only wish one day to have. I am also grateful to my thesis committee which 

includes Christopher Newgard, Donald McDonnell, Deborah Muoio and Xiao Fan Wang 

for their brilliant advice and technique support from their labs. I also want to thank all 

members  in Means  lab  for  providing  me  such  a  friendly  and  helpful  environment 

during graduate school  training.  I especially  thank Tom Ribar  for  teaching me various 

lab  techniques  and  keeping me  happy  in  lab. Most  significantly  I  thank my  parents, 

Gongyang Lin and Liping Chen,  for all of  their sacrifices which allowed me  to pursue 

the best education. Finally,  I deeply appreciate my wife, Daoyi Lin. Without her  love, 

patience and endless encourage, my graduate study would have been much more lonely 

and difficult. 

Page 15: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

1. Introduction  

1.1 Regulation of Food Intake in Hypothalamus

Energy balance  is achieved by matching energy  intake (food consumption) and energy 

expenditure. Food  intake disorders are related  to a number of clinical conditions.   For 

example, excessive food intake has been long known to contribute to obesity, which can 

trigger  type  2‐diabetes, hypertension  and  cardiovascular disorders  (Must  et  al., 1999). 

On the other hand, anorexia is associated with neoplasia, infectious diseases and aging 

(Broberger  and Hokfelt,  2001). Therefore,  understanding  the mechanisms  involved  in 

regulating food intake will be very helpful in developing pharmacological treatments.  

Numerous studies have emphasized the role of the central nervous system (CNS), 

especially  the hypothalamus  in  integrating nutrient and hormone signaling  to regulate 

food  intake.  Initially  the hypothalamus was  realized  to be  critical  to mediate appetite 

because  variations  of  food  intake  were  observed  in  many  species  in  response  to 

hypothalamic  lesions.  For  example,  lesions  in  the  medial  hypothalamus  caused 

hyperphagia which led to obesity (Brobeck et al., 1943). On the other hand, other lesions 

resulted  in decreased  food  intake or even  complete  inhibition of appetite  (Anand and 

Brobeck, 1951).  

The  arcuate  nucleus  (ARC),  located  in  the mediobasal  hypothalamus,  is  now 

known to play a pivotal role in integrating various signal inputs which mediate appetite 

Page 16: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

(Wynne  et  al.,  2005; Woods  and D’Alessio,  2008; Lopaschuk  et  al.,  2010). The ARC  is 

quite  accessible  to  blood‐borne  signaling  molecules  because  the  median  eminence 

beneath the ARC is not as well protected by the brain‐blood barrier as other brain areas 

(Broadwell and Brightman, 1976). The ARC contains  two main populations of neurons 

which  express  different  neuropeptides  having  opposite  effects  on  food  intake.  One 

population  of  neurons  expresses  neuropeptide  Y  (NPY),  and  agouti‐related  peptide 

(AgRP) (Chronwall et al., 1985; Hahn et al., 1998). Activation of these neurons results in 

increased  food  intake  (Stanley  et  al.,  2005;  Coll  et  al.,  2007).  The  other  population 

expresses  pro‐opiomelanocortin  (POMC)  and  cocaine‐  and  amphetamine‐regulated 

transcript  (CART)  (Elias  et  al.,  1998;  Kristensen  et  al.,  1998;  Valassi  et  al.,  2008). 

Activation of POMC neurons leads to a decrease in food intake. Inside the ARC, POMC 

can be cleaved  into α‐melanocyte‐stimulating hormone  (α‐MSH), which  functions as a 

ligand/agonist  of melanocortin‐3  receptor  (MC3R)  and MC4R  (Harrold  et  al.,  1999). 

MC4R plays a clear  role  in decreasing  food  intake, because MC4R agonists effectively 

depressed  appetite whereas  its  antagonists  stimulated  appetite  (Fan W, Boston  et  al., 

1997; Benoit et al., 2000). Yaswen and  colleagues also  indicated  that  loss of a‐MSH  in 

POMC  knockout mice  resulted  in  hyperphagia  and  obesity  (Yaswen  et  al.,  1999). All 

these phenotypes are consistent with an inhibitory role for POMC neurons on appetite. 

Actually, mRNA  of  POMC was  significantly  reduced  during  fasting  and  restored  by 

refeeding  (Swart  et  al.,  2002).  Similar  to  POMC,  the  expression  of  CART  was  also 

Page 17: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

suppressed by  fasting  (Robson et al., 2002).  In addition,  intracerebroventricular  (i.c.v.) 

administration  of  CART  to  rats  decreased  food  intake  (Kristensen  et  al.,  1998).  In 

contrast to the POMC neurons, NPY/AgRP neurons stimulate food intake and both NPY 

and AgRP have orexigenic effects  in  the hypothalamus. AgRP has been shown  to be a 

potent antagonist of MC3R and MC4R, and  transgenic expression of AgRP effectively 

increased food intake (Ollmann et al., 1997). In addition, i.c.v. administration of AgRP or 

its C‐terminal  fragment was  capable of  triggering hyperphagia  that  lasted  for quite  a 

long time (Rossi et al., 1998; Hagan et al., 2000). As expected for an orexigenic peptide, 

AgRP  increased during  fasting and  remained elevated  for at  least 6 hr after  refeeding 

(Swart et al., 2002). NPY  is another well‐known orexigenic peptide.  Its expression and 

release increased during fasting and decreased after refeeding (Swart et al., 2002). On the 

other hand,  the  i.c.v.  administration  of NPY  increased  food  intake  (Clark  et  al.,  1984; 

Levine and Morley, 1984).  

NPY  binds  to  a  series  of G‐protein  coupled  receptors  termed  the  Y  receptors 

(Lindner  et  al.,  2008). Mashiko  and  colleagues demonstrated  that  administration  of  a 

selective antagonist of the Y5 receptors reduced food intake (Mashiko et al., 2007). This 

result  confirmed  the previous  report  that NPY Y5  receptor  antisense oligonucleotides 

inhibited food intake (Schaffhauser et al., 1997). Interestingly, when investigators tried to 

delete  either NPY  or AgRP  or  both  genes  together,  they  did  not  observe  the  strong 

inhibition of  food  intake  that was expected. For example, mice deficient  for NPY had 

Page 18: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

normal  food  intake  and  body weight,  and  they  also  responded  normally  to  fasting 

(Erickson  et  al.,  1996).  AgRP‐deficient  mice  or  AgRP/NPY  double‐knockout  mice 

exhibited no obvious feeding or body weight deficits, and responded normally to fasting 

(Qian  et  al.,  2002).  On  the  other  hand,  acute  ablation  of NPY/AgRP  neurons  led  to 

profound anorexia in adult mice but not in neonates, which suggests these neurons are 

essential  for  feeding  but  their  loss  can  be  compensated  for  under  certain  conditions 

(Luquet et al., 2005; Gropp et al., 2005). 

The  hypothalamus  can  sense  nutrient  signals  so  as  to  regulate  appetite.  For 

example, administration of glucose into the third ventricle of the brain (central injection) 

caused a  reduction of  food  intake, which partially contributed  to  the observed weight 

loss  (Davis  et  al.,  1981).  Recently,  increased  hypothalamic  lactate  (one  of  the  end 

products of glycolysis) level was also shown to reduce food intake. Intraperitoneal (i.p.) 

injection  of  glucose  or  lactate  effectively  increased  POMC  expression  and  depressed 

NPY expression (Wolfgang et al., 2007; Cha and Lane, 2009). Long chain fatty acids have 

also been reported to have an orexigenic effect by acting on the hypothalamus. Central 

injection of oleic acid  led  to reduction of  food  intake via decreased expression of NPY 

and AgRP  in  the  hypothalamus  (Obici  et  al.,  2002).  Citrate,  a  common  intermediate 

product during carbohydrate and fatty acid metabolism, also has an anorexigenic effect 

by  acting  on  the  hypothalamus,  where  it  decreased  NPY  expression  and  increased 

POMC mRNA (Stoppa et al., 2008). 

Page 19: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

The hypothalamus also responds to various hormone signals. Leptin and ghrelin 

are  two  of  the most well‐known  hormones  regulating  feeding  behaviors.  Leptin  is  a 

peptide  hormone mainly  secreted  from  adipocytes  (Zhang  et  al.,  1994).  It  has  been 

reported that the serum leptin level is correlated to fat content, and its concentration in 

the CNS is proportional to its serum level. The serum level of leptin was suppressed by 

restricting food intake, while restored by refeeding (Frederich et al., 1995). Leptin exerts 

its  anorexigenic  effect  through  the  ARC.  The  absence  of  circulating  leptin  due  to  a 

mutation  in  the  leptin  gene  resulted  in  hyperphagia  and  obesity  in mice,  and  these 

phenotypes could be overcome by supplying exogenous leptin to the mice (Campfield et 

al., 1995; Halaas et al., 1995). Long  term  leptin administration  in mice  led  to decreased 

food  intake,  loss of body weight and  fat  content  (Halaas et al., 1995). However,  if  the 

ARC was  destroyed  before  i.c.v.  injection  of  leptin,  then  the  administration  of  leptin 

could  not  reduce  food  intake  (Tang‐Christensen  et  al.,  1999).  Subsequently,  leptin 

receptors  were  shown  to  be  expressed  in  the  hypothalamus  and  localized  to  both 

NPY/AgRP  neurons  and  POMC  neurons  (Fei  et  al.,  1997;  Elmquist  et  al.,  1998).  As 

predicted,  leptin  inhibited  NPY/AgRP  neurons  and  NPY  expression,  whereas  low 

circulating leptin resulted in the activation of these neurons (Elias et al., 1999; Morton et 

al.,  2003). On  the  other hand,  leptin  activated POMC neurons  and POMC  expression 

(Schwartz et al., 1997), and MC4R antagonists impaired the anorexigenic effect of leptin, 

indicating the importance of the melanocortin pathway in leptin signaling (Seeley et al., 

Page 20: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

1997).  

In  contrast  to  leptin,  ghrelin  is  a  potent  orexigenic  hormone, which  is mainly 

secreted from the gastrointestinal tract (Date et al., 2000). Consistent with its orexigenic 

role, the circulating level of ghrelin increased during fasting, but decreased after eating 

(Cummings  et  al.,  2001). Ghrelin was  first  identified  as  an  endogenous  ligand  of  the 

growth hormone secretagogue receptor (GHSR), whose mRNA is co‐localized with NPY 

mRNA  in  the  ARC  (Willesen  et  al.,  1999).  The  orexigenic  effect  of  ghrelin  was 

demonstrated  by  the  fact  that  i.c.v.  administration  of  ghrelin  strongly  increased  food 

intake whereas anti‐ghrelin antibody robustly suppressed feeding (Nakazato et al., 2001). 

Nakazato  and  colleagues  also  demonstrated  that  the  orexigenic  effect  of  ghrelin was 

mediated  through  NPY/AgRP  neurons  and  was  dependent  on  NPY  and  AgRP. 

Administration  of  antibodies  against  NPY  or  AgRP  eliminated  the  food  intake 

stimulated by ghrelin; so did the administration of antagonists of Y1 and Y5 receptors. 

GHSR is also critical for ghrelin function, as ghrelin treatment of Ghsr‐null mice did not 

stimulate food intake (Sun et al., 2004). Further research on GSHR revealed that it was a 

7 transmembrane receptor coupled to Gq and its activation by ghrelin resulted in a rise 

in intracellular Ca2+ in NPY neurons thus suggesting the importance of a Ca2+ pathway in 

ghrelin signaling (Kohno et al., 2003).  

Great  efforts  have  been  made  to  understand  signal  transduction  pathways 

downstream  of  leptin  and  ghrelin.  Leptin  binds  to  its  receptor  which  has  a  long 

Page 21: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

intracellular  domain,  and  this  domain  can  bind  to  Janus  kinase  2  (JAK2),  which 

phosphorylates and activates signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) 

(Vaisse et al., 1996). Phosphorylated STAT3  forms dimmers which  subsequently  enter 

the nucleus  to promote POMC  transcription or  inhibit AgRP  transcription  (Bjorbaek et 

al., 1997; Morton et al., 2006). On the other hand, leptin has also been shown to stimulate 

the phosphorylation and activation of insulin receptor substrate 1 (IRS‐1) via JAK2. IRS‐

1,  in  turn, activates phophatidylinositol‐3‐OH kinase, which activates protein kinase B 

(PKB/Akt). PKB can phosphorylate and  inhibit  the  transcription  factor FOXO1. FOXO1 

increases both NPY and AgRP  transcription  in  the hypothalamus,  thereby  stimulating 

food  intake  (Kim  et  al.,  2006). The mammalian  target of  rapamycin  (mTOR) was  also 

shown  to  regulate  leptin  signaling. Central  injection of  leptin  increased hypothalamic 

mTOR  signaling  and decreased  food  intake, while  inhibition  of mTOR  by  rapamycin 

blocked leptin’s anorexigenic effect (Cota et al., 2006). AMPK is also important for leptin 

signaling,  as  leptin  inhibited  hypothalamic  AMPK  activity  and  constitutively  active 

AMPK blunted  leptin effect  (Minokoshi et al., 2004). Compared  to  leptin signaling,  the 

pathway by which ghrelin regulated NPY/AgRP expression was poorly understood. In 

2004, Andersson and colleagues demonstrated  that  the hyperphagic effect of ghrelin  is 

correlated with  increased AMPK activity  (Andersson  et al., 2004). Combined with  the 

fact that GHSR bound by ghrelin increases intracellular Ca2+, and CaMKK2 can function 

as  an  AMPKK,  we  hypothesized  that  CaMKK2  could  be  the  Ca2+‐activated  target 

Page 22: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

downstream of ghrelin required to activate AMPK. Our evaluation of this hypothesis is 

described in chapter 3.       

 

1.2 Adipogenesis

Adipose  tissue  is  the  largest  energy  reservoir  in  the body. Adipocytes, which  are  the 

majority cells in adipose tissue store surplus energy in the form of triglycerides in lipid 

droplets.  Recently,  a  number  of  studies  have  provided  compelling  evidence  that 

adipocytes actually serve as endocrine cells  (Fruhbeck et al., 2001). The molecules  that 

are  secreted  from  white  adipose  tissue  (WAT)  play  an  important  role  in  immune 

response,  vascular  homeostasis,  glucose/lipid  metabolism  and  appetite  regulation. 

Briefly, there are two ways to expand the adipose tissue. One is storing more fat content 

into  existing  adipocyte  cells  leading  to  increased  cell  size,  which  is  known  as 

hypertrophy. The other one  is  to  increase  the number of adipocytes by differentiating 

more  precursor  cells,  which  is  termed  as  hyperplasia.  The  process  of  adipocyte 

precursor cells (preadipocytes) differentiating into adipocytes is known as adipogenesis, 

and  a  number  of  studies  have  revealed  that  this  process  follows  a  highly  ordered 

temporal  sequence  of  transcriptional  events  that  is  regulated  by  well‐defined 

transcription  factors  (reviewed  in Mandrup and Lane, 1997; Rosen et al., 2000; Farmer, 

2006). 

Page 23: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

The  most  important  transcription  factor  for  adipogenesis  is  peroxisome 

proliferator‐activated receptor γ (PPARγ). Two isoforms of PPARγ were generated from 

alternative  splicing  and  alternate  translation  initiation.  Although  PPARγ2  has  been 

shown  to  be  the dominant  isoform  in  fat  cells, no  functional differences  are detected 

between the two isoforms. As a member of nuclear hormone receptor subfamily, PPARγ 

needs  to  heterodimerize  with  the  retinoid  X  receptor  (RXR)  to  bind  DNA.  The 

heterodimer regulates transcription by recruiting different coactivators or corepressors. 

Transcription  of  several  important  adipocyte‐specific  genes  is  under  the  control  of 

PPARγ,  including adipocyte protein 2 (aP2),  lipoprotein  lipase, acyl‐CoA synthase and 

others  (Desvergne and Wahli, 1999). Also PPARγ  can be activated by  ligand binding. 

Synthetic compounds named thiazolidinediones (TZDs) bind PPARγ with high affinity. 

TZD  treatment  in preadipocytes greatly enhances adipogenesis,  suggesting  the  role of 

PPARγ in this process (Kletzien et al., 1992; Sandouk et al., 1993). In 1994, Tontonoz and 

colleagues  showed  that  expression  of  PPARγ  alone  in  nonadipogenic  fibroblasts was 

able  to  initiate  the  whole  adipogenic  program  and  generate  mature  adipocytes 

(Tontonoz  et  al.,  1994).  Actually,  PPARγ  is  potent  enough  to  induce  the 

transdifferentiation  of  myoblasts  into  adipocytes  (Hu  et  al.,  1995).  In  contrast, 

preadipocytes deficient of PPARγ could not differentiate  into adipocytes  (Rosen et al., 

1999).  In vivo,  specific  knockout  of  PPARγ  in WAT  resulted  in  lipodystrophy, which 

confirms its role in adipogenesis (Koutnikova et al., 2003).  

Page 24: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

10 

The  other  important  regulator  of  adipogenesis  is  CCAAT/enhancer  binding 

protein  α  (C/EBPα). C/EBPα  belongs  to  the basic‐leucine  zipper  class  of  transcription 

factors. Other family members include C/EBPβ and C/EBPδ. They can form homodimers 

or  heterodimers  to  regulate  transcription.  Ectopic  expression  of  C/EBPα  promoted 

adipogenic program in a variety of mouse fibroblastic cells (Freytag et al., 1994). C/EBPα 

has also been shown to be sufficient to stimulate adipogenesis in 3T3‐L1 preadipocytes 

without any hormone stimuli  (Lin and Lane, 1994). In contrast, knockdown of C/EBPα 

by antisense RNA  in 3T3‐L1 preadipocytes  resulted  in  inhibition of adipogenesis  (Lin 

and  Lane,  1992).  In  vivo,  knockout  of C/EBPα  in mice made  them  fail  to  form WAT 

(Wang  et  al.,  1995). One  important  function  of C/EBPα  is  to  keep  cells  in  terminally 

differentiated  state  by maintaining  the  expression  of  PPARγ,  and  PPARγ  is  able  to 

stimulate the expression of C/EBPα (Wu et al., 1999). 

During the process of searching for upstream regulators of PPARγ and C/EBPα, 

C/EBPβ and C/EBPδ were  identified. Yeh and colleagues demonstrated that expression 

of C/EBPβ was sufficient  to  induce adipogenesis of 3T3‐L1 preadipocytes without any 

hormone  stimuli  (Yeh  et  al.,  1995).  They  also  showed  that  expression  of  C/EBPδ 

accelerated  adipogenesis,  and  C/EBPβ  and  C/EBPδ  were  able  to  induce  C/EBPα 

expression. Furthermore, C/EBPβ and C/EBPδ stimulated PPARγ expression in NIH‐3T3 

fibroblasts  and made  them  commit  to  adipose  lineage  (Wu  et  al.,  1996).  Interestingly, 

mice lacking both C/EBPβ and C/EBPδ showed defect in WAT development, and MEFs 

Page 25: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

11 

from  these  mice  could  not  express  PPARγ  and  C/EBPα  and  therefore  could  not 

differentiate  into adipocytes either  (Tanaka et al., 1997). Besides  its  function  to  induce 

PPARγ and C/EBPα, C/EBPβ was also suggested to affect PPARγ ligand production for 

terminal  adipogenesis,  because  attenuation  of  C/EBPβ  activity  blocked  adipogenesis 

unless extra PPARγ ligand was added (Hamm et al., 2001). 

Therefore, the classic transcriptional regulation of adipogenesis is summarized in 

Fig. 1. Among  the early events  that  follow pro‐adipogenic hormonal stimulation  is  the 

expression of C/EBPβ and C/EBPδ. C/EBPβ and C/EBPδ  then  trigger  the expression of 

PPARγ, which  in  turn activates C/EBPα, which exerts positive  feedback on PPARγ  to 

maintain  the  differentiated  state.  Finally  PPARγ  and C/EBPα  stimulate  expression  of 

adipocyte‐specific genes such as aP2,  fatty acid synthase  (Fas) and glucose  transporter 

type 4 (Glut4).  

Additional  studies have  shown  that  adipogenesis  is  influenced by  a variety of 

extrinsic  factors  and  intracellular  signaling  pathways  (Rosen  and  Spiegelman,  2000; 

MacDougald and Mandrup, 2002). One of them is preadipocyte Factor 1 (Pref‐1; variants 

in  other  tissues  include DLK1,  fetal  antigen‐1  and  pG2)  (reviewed  in  Sul,  2009). As 

shown in Fig. 2, Pref‐1 is an EGF‐repeat containing transmembrane protein, and it needs 

to  be  cleaved  by  tumor  necrosis  factor‐α  converting  enzyme  (TACE)  to 

Page 26: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

12 

 

Figure 1: Transcriptional regulation of adipogenesis 

Adapted from Rosen et al., Genes Dev. 2000 14: 1293‐1307 

 

generate the biologically active soluble form (Wang and Sul, 2006).  The soluble form of 

Pref‐1  binds  an  unknown  receptor  and  activates  extracellular  signal‐regulated  kinase 

(ERK)  to maintain  the  expression  of  Sox9, which  inhibits  adipogenesis  by  repressing 

C/EBPβ and C/EBPδ transcription (Smas and Sul, 1996; Wang et al., 2006; Kim et al., 2007; 

Wang and Sul, 2009). 

Page 27: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

13 

 

Figure 2: Pref‐1 inhibition of adipogenesis 

Adapted from Sul HS, Mol Endocrinol, November 2009, 23(11):1717–1725   

 

1.3 Calcium/calmodulin-dependent Protein Kinase Cascades

Calcium  is one of  the most  frequently used second messenger molecules  in  the 

cell,  and  it  plays  important  roles  in  many  cellular  processes  such  as  proliferation, 

development  and  secretion. Cells  are  capable  of  reacting differentially  to  intracellular 

Ca2+  level  changes  according  to  their  source,  duration,  amplitude,  and  subcellular 

location (Macrez and Mironneau, 2004; Thomas et al., 1996; Chow and Means, 2007). In 

Page 28: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

14 

order  to mediate  so many different  responses, mammalian  cells possess a good many 

proteins  which  bind  intracellular  Ca2+  with  various  affinities  to  act  as  buffers, 

transducers  or  effectors.  One  of  the  most  important  Ca2+  transducers  is  calmodulin 

(CaM).  Binding  of  Ca2+  to  CaM  induces  a  conformational  change  to  expose  its 

hydrophobic  residues,  and  in  turn  promotes  interaction  of Ca2+/CaM  complex with  a 

great number of proteins. Among them, a subfamily of Ser/Thr protein kinases is known 

as Ca2+/CaM‐dependent protein kinase cascade (CaMK cascade).  

At the beginning, CaMK cascade was described as consisting of three members: 

Ca2+/CaM‐dependent protein kinase kinase  (CaMKK), CaMKI and CaMKIV  (Soderling, 

1999; Means, 2000). Their activities all need the binding of Ca2+/CaM complex. CaMKKs 

activate  CaMKI  and  CaMKIV  by  phosphorylating  their  activation  loop  (Thr177  on 

CaMKI and Thr196 on CaMKIV)  (Haribabu  et al., 1995; Selbert  et al., 1995). Recently, 

AMP‐activated  protein  kinase  (AMPK)  was  reported  to  be  activated  though 

phosphorylation of Thr172 by CaMKK2 (Hawley et al., 2005; Hurley et al., 2005; Woods 

et al., 2005). Different  from CaMKI and CaMKIV, AMPK  is not a direct  target of CaM. 

The pathways are summarized in Fig. 3. 

Pharmacological  inhibitors  have  been  utilized  as  an  important  approach  to 

understand CaMK  functions. KN‐62 and KN‐93 are competitive  to CaM, and  they are 

able to  inhibit CaMKI, CaMKII and CaMKIV similarly (Tokumitsu et al., 1990; Sumi et 

al., 1991; Enslen et al., 1994; Mochizuki et al., 1993). As shown in Fig. 3, KN‐62 and KN‐

Page 29: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

15 

93  inhibit  CaMKI  and  CaMKIV  but  not  CaMKKs.  STO‐609  is  an  ATP‐competitive 

inhibitor, which  inhibits CaMKKs potently  and  selectively  (CaMKK1,  IC50=120ng/ml; 

CaMKK2,  IC50=40ng/ml)  and  does  not  inhibit  CaMKI,  CaMKIV  or  CaMKII 

(IC50>=10μg/ml)  (Tokumitsu  et  al.,  2002).  As  for  AMPK,  there  is  also  one  selective 

inhibitor,  compound C, which  is  an ATP‐competitive  inhibitor. Other  than  inhibitors, 

overexpression of different mutant forms of kinases or knockdown by small interference 

RNA are also often employed to understand the detail of this cascade. 

 

Figure 3: CaMK cascades  

Modified from Means, 2008 Mol Endocrinol 22:2759‐2765 

 

1.3.1 Structures of CaMKK, CaMKI and CaMKIV

CaMKKs, CaMKI and CaMKIV have similar domain structures. Each of them has a well‐

conserved  N‐terminal  catalytic  domain  and  a  central  regulatory  domain  containing 

Page 30: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

16 

overlapping autoinhibitory domain (AID) and Ca2+/CaM binding domain (CBD) (Fig. 4). 

CaMKKs have a unique Arg‐Pro  (RP)‐rich  insert  in  their catalytic domain, which does 

not exist in CaMKI, CaMKIV or other kinases. Deletion of RP‐insert results in impaired 

ability  to phosphorylate and activate CaMKI or CaMKIV, but does not affect catalytic 

activity  (Tokumitsu  et  al.,  1999).  AIDs  mimic  the  substrates;  they  contain  substrate 

recognition determinants but do not have a phosphorylatable Ser/Thr. In the absence of 

Ca2+/CaM, AID interacts with and inhibits the catalytic domain. The binding of Ca2+/CaM 

to  CBD,  which  partially  overlaps  the  AID,  leads  to  conformational  changes  which 

disrupt the  interaction between AID and catalytic domain and  increase kinase activity. 

Interestingly,  CaMKKs  are  much  more  sensitive  to  the  activation  of  CaM  binding 

compared to CaMKI and CaMKIV (Matsushita and Nairn, 1998). 

 

 

Figure 4: Schematic of CaMKs domains  

The domains are shown as follows: catalytic domains, dark green; autoinhibitory domains, red; Ca2+/CaM‐binding domains, yellow. Modified from Soderling and Stull, 2001 Chem. Rev. 101: 2341‐2351 

 

Page 31: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

17 

1.3.2 CaMKK

The  identification  of  CaMKK  starts  from  the  discovery  that  in  order  to  achieve  full 

activity of CaMKIV, some activating factor around 68kD is needed with ATP in addition 

to Ca2+/CaM  (Okuno  and  Fujisawa,  1993;  Tokumitsu  et  al.,  1994; Okuno  et  al.,  1994). 

After that, CaMKK1 as a 68 kD protein and CaMKK2 as an approximately 70 kD protein 

were cloned by different groups (Tokumitsu et al., 1995; Kitani et al., 1997; Anderson et 

al.,  1998).  CaMKK1  and  CaMKK2  share  65%  identical  (80%  similar)  catalytic  and 

Ca2+/CaM binding domains, and they function similarly  in vitro (Anderson et al., 1998). 

Generally, CaMKK1  and CaMKK2  distribute  similarly  through  different  tissues with 

abundant expression in brain. CaMKK2 has also been shown to be slightly expressed in 

thymus, testis and spleen; however, only messenger RNA of CaMKK1 could be detected 

in these tissues (Anderson et al., 1998; Tokumitsu et al., 1995). Existence of CaMKKs in 

many other tissues still remains  to be determined because of  lack of robust antibodies. 

At the cellular level, both CaMKK1 and CaMKK2 are localized dominantly in cytoplasm 

but  not  nuclei, which was  proved  by  immunohistochemistry  of  rat  brain  and  GFP‐

CaMKK fusion protein overexpression in NG108‐15 cells (Sakagami et al., 2000) 

CaMKK1  activity  needs  Ca2+/CaM  binding;  however,  CaMKK2  has  some 

Ca2+/CaM‐independent activity (Tokumitsu and Soderling, 1996; Anderson et al., 1998). 

CaMKKs are also subject to regulation by phosphorylation. Both CaMKK1 and CaMKK2 

have been shown  to autophosphorylate  themselves, but autophosphorylation seems  to 

Page 32: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

18 

have nearly no effect on  catalytic activity at  least  for CaMKK2  (Anderson et al., 1998; 

Tokumitsu et al., 1999). There are at least three regulatory sites on CaMKK1 shown to be 

phosphorylated by cAMP‐dependent protein kinase (PKA) and these phosphorylations 

all inhibit CaMKK1 activity (Wayman et al., 1997; Matsushita and Nairn, 1999; Davare et 

al., 2004). However, regulation of CaMKK2 by PKA has never been reported.   Instead, 

CaMKK2  can  be  sequentially  phosphorylated  by  cyclin‐dependent  kinase  5  and 

glycogen  synthae kinase  3  at N‐terminus. This  results  in  an  increase  in  the Ca2+/CaM 

independent activity of CaMKK2 and changes its half‐life (Green et al., 2011).  

CaMKKs play an important role in learning and memory. For example, CaMKK1‐

null mice  showed  impaired  contextual  fear memory  formation  (Mizuno  et  al.,  2006; 

Blaeser et al., 2006). CaMKK2‐null mice showed impaired spatial fear memory formation 

and  long‐term memory  (Peters et al, 2003). The CaMKK‐CaMKI cascade  is  involved  in 

long‐term potentiation, a cellular model of  learning and memory. CaMKK/CaMKI can 

phosphorylate extracellular‐regulated kinase (ERK), which is necessary for LTP process; 

STO‐609  or  dominant‐negative  CaMKI  effectively  blocked  LTP‐induced  ERK 

phosphorylation  (Schmitt  et  al.,  2005;  Fortin  et  al.,  2010). CaMKKs  are  also  critical  in 

neurite  outgrowth.  For  example,  in  neuroblastoma  NG108  cells,  STO‐609  inhibited 

neurite outgrowth but constitutively active CaMKKI or CaMKI promoted it (Schmitt et 

al,  2004).  The  CaMKK2‐CaMKIV‐CREB  pathway  is  important  for  brain‐derived 

neurotrophic factor (BDNF) expression, which was required for normal development of 

Page 33: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

19 

cerebellar granule neurons (Kokubo et al., 2009). In addition, CaMKKs may participate 

in cell cycle  regulation. Two kinases CMKC and CMKB  in Aspergillus nidulams, which 

share high sequence identity with CaMKK and CaMKI/V respectively, are important for 

cell  cycle  progression  especially G1/S  transition  (Joseph  and Means,  2000). Kahl  and 

Means also demonstrated that in WI‐38 human fibroblasts, KN‐93 or overexpression of 

dominant negative CaMKI prevented cyclin D/cdk4 activation and arrested cells in late 

G1  (Kahl  and Means,  2004). Most CaMKK2  functions  so  far  identified  are  related  to 

CaMKI  or  CaMKIV;  however,  its  function  as  an  AMPK  kinase  is  gradually  being 

revealed.  

 

1.4 AMPK

AMPK  is  a  serine/threonine kinase which  is  evolutionarily  conserved  from  single  cell 

eukaryotes such as yeast to mammals (Hardie et al., 2003; Carling, 2004). AMPK is well 

known as a key  sensor of  cellular energy  status, because an elevated AMP:ATP  ratio, 

which indicates cellular energy status is compromised, triggers the activation of AMPK. 

Thus,  AMPK  will  be  switched  on  by  conditions  interfering  with  ATP  production 

including hypoxia and glucose deprivation, or by processes that consume ATP such as 

muscle contraction  (Hardie, 2003). Once activated, AMPK  turns on catabolic pathways 

which increase ATP production, and turns off anabolic processes which consume ATP. 

It  is  believed  that  AMPK  functions  via  direct  phosphorylation  of  corresponding 

Page 34: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

20 

metabolic  enzymes  or  altering  long  term  gene  expression.   Moreover,  recent  studies 

demonstrate  that AMPK  not  only works  as  a master  regulator  of metabolism  at  the 

cellular  level,  but  also  controls  energy  balance  at  the  whole  body  level.  Generally, 

AMPK  integrates  nutrient  and  hormone  signals  to  regulate  energy  balance  in 

hypothalamus (to increase food intake) and peripheral tissues (to increase free fatty acid 

oxidation and glucose uptake and reduce gluconeogenesis) (Xue and Kahn, 2006). 

 

1.4.1 Structure and Regulation of AMPK

Since  its purification  in 1994, AMPK has been revealed  to be a heterotrimeric complex 

consisting of an α catalytic subunit and regulatory β and γ subunits (Davies et al., 1994; 

Mitchelhill et al., 1994). In mammals, each subunit is encoded by multiple genes (α1, α2, 

β1,  β2,  γ1,  γ2,  γ3)  (Carling,  2004).  The  structure  of  each  subunit  remains  similar  in 

different eukaryotes as shown in Figure 5 (Hardie et al., 2006). The α subunit contains a 

serine/threonine kinase domain  in the N‐terminal region and has a threonine (Thr‐172) 

in  the  activation  loop which  needs  to  be  phosphorylated  in  order  to  activate AMPK 

(Hawley  et  al.,  1996).  The  α  subunit  also  has  a  β/γ  subunit  binding  region  in  its C‐

terminus. The β subunit has its α/γ binding region in the C‐terminus. It also has a central 

region which binds glycogen to the AMPK complex, however, the physiological role of 

this  region  is  still  unknown  (Hudson  et  al.,  2003;  Polekhina  et  al.,  2003).  In  the  C‐

Page 35: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

21 

terminal region of the γ subunit, there are four CBS motifs which work in pairs to bind 

AMP or ATP in a mutually exclusive manner (Cheung et al., 2000; Hardie et al., 2006).  

As mentioned,  activation  of AMPK  requires phosphorylation  of T172  in  the  α 

subunit. So  far,  three upstream kinases have been  indentified  for  this event. They are 

LKB1, CaMKK2 and TGF‐β activated kinase  (TAK1)  (Hawley et al., 2003; Woods et al. 

2003;  Shaw  et  al.,  2004; Hawley  et  al.,  2005; Hurley  et  al.,  2005; Woods  et  al.,  2005; 

Momcilovic et al., 2006). LKB1 is constitutively active and phosphorylates AMPK when 

the AMP  concentration  rises  in  the  cell and binds  to  the  γ  subunit, which  transforms 

AMPK into a more suitable substrate for LKB1. CaMKK2 phosphorylates AMPK kinase 

independently of AMP,  instead  requiring a  change of  intracellular Ca2+  concentration. 

However, T172  is not  the only phosphorylation site  in AMPK. Further studies  indicate 

that  Ser485  (Ser491  in  α2)  can be phosphorylated by protein kinase B/Akt or PKA or 

AMPK itself, which attenuates the phosphorylation of T172 and AMPK activity (Hurley 

et al., 2006; Horman et al., 2006; Soltys et al., 2006).  

 

1.4.2 Regulation of Energy Balance by AMPK in the Hypothalamus

AMPK activity has been  found  in both  central nervous  system and peripheral  tissues 

such  as  muscle,  liver  and  adipose  tissue.  A  number  of  studies  reported  that 

hypothalamic AMPK  responded  to  different  nutrient  or  hormone  signals  to  regulate 

food intake. Most obviously, fasting increased AMPK activity in the hypothalamus and 

Page 36: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

22 

 

Figure 5: Domain structures of α, β and γ subunits of AMPK  

Adapted from Hardie et al., 2006 J Physiol 574.1 pp 7–15 

refeeding  depressed  it  (Minokoshi  et  al.,  2004;  Kim  et  al.,  2004).  Furthermore,  i.p. 

injection of glucose decreased AMPKα2 activity in the hypothalamus, and i.c.v. injection, 

which does not change serum glucose and insulin levels, also inhibited AMPKα2 in the 

hypothalamus  (Minokoshi  et  al.,  2004;  Perrin  et  al.,  2004; Kim  et  al.,  2004).    Besides, 

hypoglycemia caused by insulin injection was reported to increase AMPKα2 activity in 

the hypothalamus (Han et al., 2005). 2‐deoxyglucose (2‐DG), a nonmetabolizable glucose 

analog  that  inhibits glucose utilization,  increased AMPK phosphorylation  in neuronal 

cell  lines  and  ex  vivo  hypothalamus  culture  (Lee  et  al.,  2005).   Hypothalamic AMPK 

activity is also regulated by hormone signals. Generally, orexigenic hormones stimulate 

Page 37: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

23 

AMPK activity whereas anorexigenic hormones inhibit  it. Cannabinoid and ghrelin are 

both  orexigenic  hormones  increasing  food  intake  through  interactions  in  the 

hypothalamus  (Nakazato  et  al.,  2001;  Jamshidi  and  Taylor,  2001).  Either  i.p.  or  i.c.v. 

injection  of  either  ghrelin  or  cannabinoid  significantly  elevated  hypothalamic AMPK 

phosphorylation  and  activity  (Andersson  et  al.,  2004; Kola  et  al.,  2005). Anorexigenic 

molecules  such  as  leptin,  insulin  and MT‐II  (melanocortin  receptor  agonist)  inhibited 

hypothalamic AMPK activity (Minokoshi et al., 2004; Andersson et al., 2004). It is more 

important  that  alteration  of  AMPK  activity  in  the  hypothalamus  itself  is  enough  to 

mediate  food  intake,  body  weight  and  expression  of  orexigenic  neuropeptides.  For 

example, Minokoshi and colleagues exhibited that overexpression of dominant negative 

(DN) AMPK  in the medial hypothalamus decreased food  intake and body weight gain 

of mice, and  they also  showed  that mice with DN‐AMPK had  lower mRNA  levels of 

NPY  and AgRP  in  the ARC.  In  contrast, mice with  constitutively  active  (CA) AMPK 

expressed in the medial hypothalamus had increased food intake and body weight gain 

with  elevated  expression  of NPY  and  AgRP  during  fasting.  The  ability  of  leptin  to 

reduce  food  intake  and  body  weight  on  CA‐AMPK‐expressed  mice  was  impaired, 

because  leptin  was  no  longer  able  to  decrease  hypothalamic  AMPK  activity.    5‐

aminoimidazole‐4‐carboxamide ribonucleoside (AICAR) is an AMPK activator; it can be 

taken  into  cells  and  phosphorylated  into  ZMP, which mimics  the  effect  of AMP  on 

AMPK activation (Sabina et al., 1985; Sullivan et al., 1994). The i.c.v. injection of AICAR 

Page 38: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

24 

effectively  increased  food  intake whereas  compound  C,  a  selective AMPK  inhibitor, 

triggered downregulation of food intake and body weight (Kim et al., 2004; Andersson 

et al., 2004). Although the role of AMPK in hypothalamic regulation of appetite was well 

established,  the  corresponding  upstream  kinase  of  AMPK  still  remained  unclear. 

Ghrelin, which  activates AMPK  in  the  hypothalamus,  binds  to  its  receptor GHSR  to 

activate phospholipase C and generate inositol trisphosphate, which triggers Ca2+ release 

from endoplasmic reticulum  (ER)  (Wells, 2009). This  fact hints  that CaMKK2 might be 

the  upstream  AMPK  kinase.  The  abundance  of  CaMKK2  in  the  hypothalamus  also 

supports  this hypothesis. Actually our  lab has presented evidence  to  support  the  idea 

that CaMKK2 functions as an AMPK kinase downstream of ghrelin in the hypothalamus 

to regulate NPY/AgRP expression (Anderson et al., 2008), which is described in chapter 

3. 

Hypothalamic AMPK may  also  regulate  energy  expenditure  in brown  adipose 

tissue  (BAT),  which  is  under  the  control  of  the  sympathetic  nervous  system  (SNS) 

(Lowell &  Spiegelman  2000).    Lopez  and  colleagues  suggested  that  thyroid  hormone 

depressed hypothalamic AMPK activity so as to upregulate de novo lipogenesis, which 

resulted in enhanced SNS activity and upregulated thermogenesis in BAT (Lopez et al., 

2010).  In  2003,  another  group  reported  that AMPKα2  null mice  had  increased  daily 

urinary epinephrine, norepinephrine and dopamine excretion, which also suggested that 

loss of hypothalamic AMPK activity  enhanced SNS activity  (Viollet  et al., 2003).   The 

Page 39: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

25 

i.c.v. injection of ghrelin suppressed the electrophysiological activity of the sympathetic 

nerves  innervating BAT  in rats (Yasuda et al., 2003).   Central administration of ghrelin 

also decreased norepinephrine release in BAT, which is an important stimulator for BAT 

activity (Mano‐Otagiri et al., 2009). In contrast,  leptin, which  inhibits AMPK activity  in 

the hypothalamus, increased sympathetic outflow to BAT and stimulated thermogenesis 

(Collins  et  al.,  1996; Haynes  et  al.,  1999). Leptin mediated  thermogenesis  through  the 

hypothalamic melanocortin (MC) system (Satoh et al., 1998). AgRP, a potent antagonist 

of MC3R and MC4R, negatively regulated sympathetic activation caused by leptin (Fong 

et al., 1997; Ebihara et al., 1999). NPY  is also  reported  to affect  thermogenesis  in BAT. 

Recently,  Chao  and  colleagues  knocked  down  NPY  expression  in  the  dorsomedial 

hypothalamus  in  rats  and  observed  increased  BAT  development  and  energy 

expenditure (Chao et al., 2011). Given that AMPK activity in the hypothalamus controls 

NPY/AgRP  expression,  it  would  be  reasonable  to  think  hypothalamic  AMPK  also 

regulates BAT activity. 

 

1.4.3 Regulation of Energy Balance by AMPK in Peripheral Tissues

AMPK regulates metabolic pathways in most peripheral tissues to maintain normal ATP 

levels  (Xue and Kahn, 2006).  In heart and skeletal muscle, AMPK stimulates  fatty acid 

uptake and oxidation as well as glucose uptake (Xue and Kahn, 2006; Russell et al., 1999; 

Merrill et al. 1997). AMPK also stimulates mitochondrial biogenesis  in skeletal muscle 

Page 40: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

26 

and glycolysis  in heart  (Winder et al. 2000; Marsin et al. 2000). AMPK  inhibits  insulin 

secretion from pancreatic β cells (Rutter et al., 2003). AMPK inhibits protein synthesis in 

both  skeletal muscle and  liver  (Bolster  et al., 2002; Viollet  et al., 2006);  it also  inhibits 

fatty  acid  and  cholesterol  synthesis  and  gluconeogenesis  in  liver  (Corton  et  al.,  1995; 

Henin  et  al.,  1995).  In  adipose  tissue,  AMPK  has  been  shown  to  inhibit  fatty  acid 

synthesis and lipolysis but increase fatty acid oxidation (Daval et al., 2006).  

The  central  metabolic  pathway  that  AMPK  utilizes  to  regulate  fatty  acid 

oxidation  is  through  acetyl  CoA  carboxylase  (ACC),  which  converts  acetyl  CoA  to 

malonyl  CoA  (Merrill  et  al.,  1997).  Phosphorylation  of  ACC  by  AMPK  inhibits  its 

activity, which  leads  to  a  decrease  of malonyl  CoA. Malonyl  CoA  inhibits  carnitine 

palmitoyl‐CoA  transferase‐1  (CPT1), an enzyme  transporting  long‐chain  fatty acid  into 

the mitochondria  for  oxidation.  Thus,  decrease  of malonyl  CoA  will  increase  CPT1 

activity and increase fatty acid oxidation.  

 

1.4.4 Regulation of Adipogenesis by AMPK 

There  is  evidence  to  suggest  that AMPK  is  involved  in  preadipocyte  differentiation. 

AICAR  inhibited  adipogenesis  in  3T3‐L1  or  F442A  preadipocytes  (Habinowski  et  al., 

2001; Giri et al., 2006; Dagon et al., 2006; Lee et al., 2011). Giri and colleagues showed 

that  the expression of  late adipogenesis markers such as aP2 and adipsin was reduced 

by AICAR  treatment, as was  the expression of adipogenic  transcription  factor C/EBPα 

Page 41: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

27 

and PPARγ. However,  the  expression of Pref‐1, which usually  significantly decreases 

during adipogenesis, was restored by AICAR treatment (Giri et al., 2006). Most groups 

used AICAR stimulation to study the effect of AMPK on adipogenesis; however, at least 

one  group  reported  that  inhibition  of  AMPK  by  compound  C  enhanced  PPARγ 

expression (Tong et al., 2008).    Besides, metformin, a drug frequently used to treat type 

2‐diabetes,  inhibited  lipid  accumulation  in  3T3‐L1  cells  via  a  pathway  that  involves 

activation of AMPK  (Alexandre  et  al.,  2008). However,  the detailed knowledge  about 

interactions upstream and downstream of AMPK in this process still needs exploration. 

 

In this thesis, I tried to understand the function of CaMKK2 in the hypothalamus 

and white adipose tissue using genetically altered mice and cell lines.  At first, we found 

that  CaMKK2  was  expressed  in  NPY/AgRP  neurons  within  the  ARC  of  the 

hypothalamus  and  CaMKK2‐null  mice  displayed  a  reduced  hypothalamic  AMPK 

activity as well as a decreased  level of NPY/AgRP. This fact  led us to hypothesize that 

CaMKK2 might work as an AMPK kinase  in  the hypothalamus  to control appetite.  In 

order to prove this idea, I compared the feeding responses of WT and mutant mice to i.p. 

injection of ghrelin and 2‐DG. The role of CaMKK2 in hypothalamus was also confirmed 

by i.c.v. infusion of its inhibitor, STO‐609, which reduced food intake and body weight 

in WT mice but not  in CaMKK2‐null mice. Later on,  I demonstrated  that CaMKK2‐null 

mice were  resistant  to  high‐fat  diet‐induced  obesity,  glucose  intolerance  and  insulin 

Page 42: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

28 

resistance, and  it  could be partially  explained by  reduced  food  intake during high‐fat 

diet feeding. To clarify whether reduced appetite in CaMKK2‐null mice was the primary 

contributor  to  their  resistance  to  high‐fat  diet  effects,  I  performed  a  pair  feeding 

experiment between WT and CaMKK2‐null mice. Since WT mice were still more obese, 

glucose intolerant and insulin resistant compared to CaMKK2‐null mice, I hypothesized 

that loss of CaMKK2 enhanced energy expenditure via BAT, because increased BAT and 

cold‐induced  thermogenesis  were  observed  in  mutant  mice  under  standard  chow.  

However, knockout mice possessed smaller BAT and decreased heat production when 

fed high‐fat diet, which does not support this hypothesis. Finally, I turned my focus to 

WAT. I demonstrated that CaMKK2 inhibited adipogenesis in several preadipocyte cell 

lines by activating AMPK and maintaining Pref‐1 mRNA. These  results are  consistent 

with  the  observation  that  CaMKK2‐null  mice  had  more  adiposity  and  fewer 

preadipocytes  on  standard  chow.  Therefore,  here  I  demonstrated  that  the  absence  of 

CaMKK2 reduced appetite via the hypothalamus and enhanced adipogenesis in WAT. 

 

 

Page 43: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

29 

2. Materials and Methods  

2.1 Animal Experiment

Animal care 

All mice were  bred  and maintained  in  either  the Duke University  LSRC  or MSRBII 

animal  facility under a 12 hr  light  (0600‐1800), 12 hr dark cycle  (1800‐0600). Food and 

water were provided ad libitum and all care was given  in compliance within NIH and 

institutional guidelines on the care and use of laboratory and experimental animals.  

 

Cannulation and infusion of STO‐609 into third ventricle

Insertion of cannulae (Plastics One) and subsequent infusion of solutions into the third 

ventricle of adult WT or CaMKK2‐null mice using Alzet osmotic minipumps (DURECT 

Corporation) were performed as follows. A stock solution of STO‐609 (20mM in 100mM 

NaOH) was  diluted  1:1000  in  0.9%  sterile  saline  to  obtain  a  20uM working  solution 

(pH≈7.0). One  hundred microliters  of  STO‐609  or  carrier was  loaded  into  individual 

osmotic  minipumps  (Alzet  model  1007D)  12  hr  prior  to  surgical  implantation  and 

allowed to equilibrate in 0.9% sterile saline at 37 degree celsius to ensure that the pumps 

began  to work  immediately  after  implantation  at  the maximal  flow  rate  of  0.5  μl/hr. 

Prior  to  surgery, mice were  administered  ketamine  80 mg/kg;  xylazine  10 mg/kg  i.p. 

After the anesthetic had taken effect, mice were secured in a stereotaxic apparatus (Kopf 

Page 44: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

30 

Instruments),  and  an  incision was made down  the midline of  the head  to  expose  the 

skull. After  swabbing  the exposed skull with 95% EtOH  to  remove any contaminants, 

the bregma line was located and marked. A small access hole was drilled at bregma ‐1.94, 

and the cannula was inserted to a depth of 5.8 mm and secured with epoxy bone cement 

(3M ESPE). After the bone cement dried, a small incision was made in the skin between 

the scapulae. A small pocket was formed in the subcutaneous tissue, and the pump was 

implanted and connected to the cannula via a small sterile plastic tube. The incision was 

then  closed,  and  the  animal  was  placed  on  a  heating  pad  to  recover.  Mice  were 

monitored  daily  for  feeding  behavior  over  a  7  day  period,  at which  time  they were 

sacrificed, and the hypothalamus was removed for RNA extraction. 

 

Intraperitoneal injection of ghrelin or 2‐DG 

WT and CaMKK2‐null mice were given intraperitoneal (i.p.) injection of saline control or 

ghrelin  (3nmol/100μl per mouse, Sigma G8903) 1hr before  the onset of dark cycle, and 

food intake was quantified at 1hr and overnight. For 2‐DG (Calbiochem #25972), a dose 

of  15mg/100ul  per mouse was  given  and  food  intake was  also  quantified  at  1hr  and 

overnight. 

 

Glucose and insulin tolerance assays 

Glucose tolerance assays were performed on mice that were fasted overnight (>12 hr). At 

Page 45: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

31 

0900, mice were measured for baseline glucose by collecting a small drop of blood from 

the tail vein for analysis using a handheld Bayer Ascensia Contour glucometer. After the 

baseline glucose values were established, each mouse was weighted and given an  i.p. 

injection  of  2  mg  glucose/g  body  weight  (Fisher  Scientific,  D14‐212).  Glucose  was 

dissolved in sterile water in a concentration of 400mg/ml.  Glucose injections and blood 

glucose sampling were timed to take approximately the same amount of time per animal, 

so that the sample times were accurate for each animal. Blood glucose was quantified as 

a function of time until glucose levels returned to near baseline values. Insulin tolerance 

test was conducted using  the same glucometer, also at 0900. Mice were  fasted  for 3 hr 

prior to starting the procedure. After the baseline glucose values were established, mice 

were  given  recombinant  human  insulin  (1  U/kg  i.p.  Eli  Lilly).  Clearance  of  plasma 

glucose  was  subsequently  monitored  at  15,  30,  45,  60,  90,  120  and  150  minutes 

postinjection. 

 

Feeding mice with different diets 

For high‐fat diet experiment, twenty male WT and CaMKK2‐null mice were housed five 

per cage at the age of weaning (three weeks) and fed with low‐fat (D12328) or high‐fat 

(D12330) diet  from Research Diets  for  31 weeks. After  31 weeks, DEXA  scan, glucose 

tolerance  test  and  insulin  tolerance  test were performed  and  serum was  collected  for 

hormone  analysis.  Measurements  of  food  intake  and  weight  gain  were  performed 

Page 46: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

32 

weekly. Information for three different diets is displayed in Table 1.  

Table 1: Formula of diets  

  Standard (5001)  Low Fat(CCO)  High Fat (HCO) 

Producer  Lab Diet  Research Diets  Research Diets 

Total kcal/gram  3.36  4.07  5.56 

Fat%  13.4%  10.5%  58.0% 

Protein%  28.5%  16.4%  16.4% 

Carbohydrate%  58.0%  73.1%  25.5% 

 

Pair feeding in high fat diet 

For pair‐feeding experiment, fourteen WT and CaMKK2‐null mice around three‐month‐

old were housed  individually.  Initial  body weight  and  adiposity were measured  and 

mice were subjected to 5 days adaptation to high‐fat diet. Food intake and body weights 

were monitored every day. CaMKK2‐null mice had  free access  to  the  food.   WT mice, 

which would eat more if food was provided ad libitum, received the average amount of 

the  food  that was consumed by CaMKK2‐null mice one day before. At  the same  time, 

both types of mice had free access to water. Pair‐feeding was carried out for 30 weeks; 

DEXA scan, glucose tolerance test and insulin tolerance test were performed around 10 

weeks  after  the  start  of pair‐feeding  and  at  the  end. White  adipose  tissue,  brown  fat 

tissue, liver, kidney and serum were collected for future study at the end of experiment.    

Page 47: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

33 

 

Thermogenic response of WT and CaMKK2‐null mice  

Ten  WT  and  CaMKK2‐null  mice  were  housed  individually  with  food  and  water 

provided  ad  libitum. All mice were  fasted  for  1  hr  after  dark  cycle  started,  and  then 

moved  into  8  degree  celsius  cold  room  for  following  8  hr.  Rectal  temperature  was 

measured hourly by mouse rectal temperature probe (ADinstruments, MLT1404). 

 

2.2 Adipose Tissue Analysis

Dual energy X‐ray absorptiometry (DEXA)

Mice were anesthetized  (ketamine 100 mg/kg; zylaxine 10 mg/kg) and scanned 4  times 

(with no repositioning between scans) using a Lunar PIXImus II densitometer (software 

version  2.0; GE Lunar Corp, Madison, WI). All mice had  access  to  food  and water  ad 

libitum before the DEXA measurements which were  typically performed between  8:00 

and 11:30 AM. Anesthetized mice were then placed on the imaging positioning tray in a 

prostrate  fashion with  the  front  and  back  legs  extended  away  from  the body. Heads 

were excluded from all analyses by placing an exclusion region of interest (ROI) over the 

head. Thus, all body composition data exclude the head. Sizes and locations of ROI were 

modified  to evaluate  the amount of scapula brown adipose  tissue, epididymal  fat pad 

and retroperitoneal fat pad. 

 

Page 48: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

34 

White Fat analysis 

White  fat  analysis  from mice was  performed  on  euthanized mice.  After  euthanasia, 

gonadal  fat  pads  were  removed  and  were  fixed  in  10%  neutral  buffered  formalin 

overnight.  Fixed  samples were  dehydrated  in  graded  ethanol,  cleared  in  xylene  and 

embedded  in paraffin. Five‐micron serial sections were cut, mounted on poly‐L‐lysine‐

coated glass slides (Histology Control System, Glenn Head, NY), and dried at 55 degree 

Celsius  for  1hr  . Sections were deparaffinized  in Hemo‐D  (Fisher Scientific, Pittsburg, 

PA) and rehydrated through graded ethanol to PBS. Cell dimension measurements were 

performed on 5u H&E‐stained sections using a Zeiss AxioImager D1 microscope  (Carl 

Zeiss, Thornwood, NJ) and Axiovision v.4.4 software. 

 

Adipocyte number analysis 

Isolation  of mature  adipocytes  from WAT was  performed  according  to  a  previously 

described  method  by  Etherton  et  al  (Etherton  et  al.,  1977)  with  some modification. 

Briefly, one gonadal fat pad was  isolated from freshly sacrificed WT and CaMKK2‐null 

mice and rinsed twice with 0.154M NaCl at 37 degree Celsius to get rid of free lipid. The 

rinsed WAT was fixed with 2% osmium tetroxide (Electron Microscopy Sciences, #19100) 

in collidine‐HCl buffer, pH 7.4  (Electron Microscopy Sciences, #11500). Adipose  tissue 

was  left  in  the  fixative  for 72 hr at room  temperature  in a ventilated  fume hood. After 

fixation, osmium tetroxide was removed and tissue was rinsed with 0.154M NaCl for 24 

Page 49: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

35 

hr. After 24 hr, NaCl was removed, and 8 M urea in 0.154M NaCl was added. Following 

the addition of 8 M urea, samples were occasionally swirled by hand and  left at room 

temperature  for  48  hr.  After  observing  the  suspension  of  free  adipocytes  devoid  of 

connective tissue debris, the sample was passed through a sterile 230μm stainless steel 

tissue sieve  (Bellco Glass, #1985‐00069); connective  tissue debris and undigested  tissue 

were left on screen.  The fixed and urea‐isolated adipocytes were collected by screening 

through  a  sterile  25μm  stainless  steel  tissue  sieve  (Bellco  Glass,  #1985‐00500).  The 

adipocytes  were  washed  three  times  with  0.154M  NaCl,  pH  10.0,  containing  0.01% 

Triton X‐100 (Sigma, T‐9284). The adipocytes were resuspended in 20ml of 0.154M NaCl, 

and  then 100ul of adipocyte suspension was diluted  to 10ml with balanced electrolyte 

solution (Beckman Coulter, 624994‐B )  and counted using a Coulter Counter (Beckman 

Coulter, Z1). 

 

2.3 Cell Isolation, Cell Culture and Induction of Adipogenesis

Isolation and growth of preadipocyte 

Isolation of preadipocytes was performed according to previously described method by 

Permana et al  (Permana et al., 2004) with some modification.   Briefly, gonadal  fat pad 

was isolated from freshly sacrificed WT and CaMKK2‐null mice. Isolated mouse adipose 

tissue was minced in DMEM containing 5.5 mM glucose, 5% fatty acid‐free BSA (Sigma, 

A9647), and then centrifuged at 500g for 5 minutes to get rid of blood cells. Supernatant 

Page 50: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

36 

was transferred to a new tube and digested with Collagenase P (Roche, #11249002001) at 

a  concentration  of  1mg/ml  dissolved  in DMEM.  Tissues were  incubated  at  37 degree 

Celsius  for 45 minutes and  filtered  through a  sterile 230μm  stainless  steel  tissue sieve 

(Bellco Glass, #1985‐00069). After centrifugation at 500g for 10 minutes, the pelleted cells 

containing preadipocytes were  resuspended  in DMEM  and  strained  through  a  sterile 

25μm stainless steel tissue sieve (Bellco Glass, #1985‐00500). The filtrate was transferred 

to a 60mm culture plate and maintained in an incubator at 37 degree Celsius in 5% CO2. 

Cells were allowed to attach, and the next day floating red blood cells were removed by 

aspiration, and the culture medium was replenished. Medium was changed every other 

day.  

For growth  rate measurement, preadipocytes were  isolated  from  four WT  and 

CaMKK2‐null mice, and kept growing for three days. At day three, preadipocytes were 

detached by trypsin treatment and counted in Coulter counter. The preadipocytes from 

individual mice were plated at a concentration of 0.25X105 /ml into a 6 well plate. Cells 

were allowed to grow, and 12, 24, 36, 48, 72 and 96 hr after seeding, preadipocytes from 

one well were detached by trypsin and counted in Coulter counter. 

 

Isolation of mouse embryonic fibroblasts 

Isolation  of  mouse  embryonic  fibroblasts  was  performed  according  to  the  protocol 

modified from Jacks Lab at David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research of 

Page 51: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

37 

MIT. The pregnancy of female mice was checked and female mice were scarified at day 

13.5 after onset of pregnancy. The abdomen of freshly sacrificed mice was soaked in 70% 

EtOH  and  opened  by  dissection  scissors.  Uterus  was  exposed  and  two  strings  of 

embryos were  removed and  transferred  into 10cm culture dish containing 10ml HBSS 

with  1X  pen/strep.  Embryos were  carefully  dissected  out  of  placenta  and  transferred 

individually  into  a new  60mm dish with HBSS. Rostral portion of  the  embryo’s head 

(above the eyes) was cut off and saved for PCR analysis for genotyping. Hematopoietic 

tissue was removed as much as possible. Each embryo was transferred into a new 60mm 

dish  with  1 ml  trypsin‐EDTA  and minced  into  small  pieces.  The  dishes  then  were 

incubated at 37 degree Celsius for 45 minutes. 4 ml of DMEM supplemented with 15% 

heat‐inactivated FBS was added  into each dish  to stop  the digestion. Each  trypsinized 

embryo was pipette vigorously to separate cells and then transferred into a labeled T75 

flask  with  15  ml  DMEM  supplemented  with  15%  hiFBS.  Flasks  were  placed  in  an 

incubator at 37 degree Celsius with 5% CO2, and cells were allowed to grow 72 hr until 

they reached over‐confluent. At the same time, genotyping PCR analysis was carried out 

to  identify  the genotype  for each embryo. After 72 hr, each T75  flask was  rinsed with 

HBSS  and  treated with  2 ml  of  trypsin‐EDTA.    8 ml  of DMEM with  15%  hiFBS was 

added to stop the digestion and after pipetting, 5 ml of cells were transferred into T175 

flask with  50 ml DMEM  supplemented with  15%  hiFBS.  Cells were  incubated  at  37 

degree Celsius with 5% CO2 for 72 hr until they reached confluence. The confluent cells 

Page 52: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

38 

were detached by treating each T175 flask with 3 ml of trypsin‐EDTA and resuspended 

in 25 ml DMEM supplemented with 15% hiFBS. Cells from same embryo were combined 

and spun down at 1000 RPM, room temperature for 3 minutes. Cells were resuspended 

in 32 ml freezing media per embryo (25% hiFBS, 10% TC‐grade DMSO, 65% DMEM). 1 

ml of resuspended cells (around 3X106) was pipetted into each cryotube (nunc, 375418). 

All  vials were  transferred  into  a  Styrofoam  rack  and  frozen  overnight  at  ‐80  degree 

Celsius.  On  the  next  day,  cryotubes  were  transferred  into  a  liquid  nitrogen  cryo 

biological safety system. 

 

Cell culture and induction of adipogenesis 

MEF were isolated as described above. One vial of frozen MEFs was thawed and seeded 

in 10cm culture dish with DMEM  (Cellgro, #17‐205‐CV) supplemented with 10% heat‐

inactivated FBS (Atlanta Biologicals, #S11150), 2mM L‐glutamine (Cellgro, #25‐005‐CL), 

100 units/ml penicillin and 100ug/ml streptomycin (Gibco, #15140). Culture medium was 

refreshed every other day. For growth rate measurement, WT and CaMKK2‐null MEFs 

were  detached  by  trypsin  treatment,  counted  in  Coulter  counter  and  plated  at  a 

concentration of 0.5X105 /ml into a 6 well plate. Cells were allowed to grow, and 12, 24, 

36,  48,  72  and  96 hr  after  seeding,  cells were detached  from  one well by  trypsin  and 

counted in Coulter counter. 

Mouse 3T3L1 cells from ATCC were cultured in DMEM with 10% Bovine Serum 

Page 53: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

39 

(Gibco,  #16170‐078),  2mM  L‐glutamine,  100  units/ml  penicillin  and  100ug/ml 

streptomycin.  Culture medium was  refreshed  every  other  day.  Cells were  split  1:10 

before they reached 70% confluence.  

C3H10T1/2 cells from ATCC were cultured  in α–MEM (Gibco, #12561‐056) with 

10%  heat‐inactivated  FBS,  2mM  L‐glutamine,  100  units/ml  penicillin  and  100ug/ml 

streptomycin.  Culture medium was  refreshed  every  other  day.  Cells were  split  1:10 

before they reach 70% confluence. 

For  induction of adipogenesis, cells were seeded  in six well plate with 106 cells 

per well. On day 0  (2 days after cells  reach confluence), adipogenesis was  induced by 

changing from growth medium to MDI medium which is DMEM with 10% FBS,  1μg/ml 

(0.2μg/ml  for  3T3L1)  insulin(Gibco,  #12585‐014) ,  0.5mM  isobutylmethylxanthine 

(Sigma,  #I7018),  and  1μM  Dexamethasone  (Sigma,  #D4902).  Forty‐eight  hours  later, 

culture  medium  was  changed  to  insulin  medium  which  is  DMEM  with  10%  FBS 

containing 1μg/ml insulin (0.2μg/ml for 3T3L1) for 4 days. On day 6, cells were refreshed 

with  DMEM  with  10%FBS.  Cells  were  left  in  DMEM  for  at  least  4  days.  After 

differentiation, adipocytes were either stained by Oil Red O or used to extract mRNA by 

TRIzol.  In order  to  test effects of different compounds on adipogenesis, 2μM STO‐609 

(TOCRIS,  1551),  0.25mM  or  0.5mM  AICAR  (Calbiochem,  #123040),  or  0.5μM  KN‐93 

(Calbiochem, #422711) were added  into medium 2 days before confluence (day  ‐4) and 

refreshed  every  other  day.  Compound  C  (Calbiochem,  #171261)  was  used  at 

Page 54: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

40 

concentration of 2μM for 1 hr in WT MEFs. 

 

Oil Red O staining 

After differentiation, medium was removed by aspiration. Cells were rinsed once with 

HBSS  (Cellgro, #21‐022‐CV) and  fixed  in 10% buffered  formalin  for 10 minutes. Then, 

cells were incubated in propylene glycol (Sigma, 398039) for 2 minutes and switched to 

0.5% Oil Red O solution (0.5g Oil Red O in 100ml propylene glycol) for 16 hr. After the 

staining, Oil Red O solution was removed by aspiration and remaining Oil Red O was 

removed by  treating  cells with 85% propylene glycol  for 1 minute. Stained  cells were 

replenished  with  HBSS  and  pictures  were  taken  using  an  Olympus  DP20  system 

connected to microscope.  In order to evaluate the amount of neutral fat droplet stained 

by Oil Red O, stained cells were washed by isopropyl alcohol which will elute Oil Red O 

from the cells and the optical density of eluate was monitored spectrophotometrically at 

520nm.  

 

2.4 RNA and Protein Analysis

Immunoblotting

Cells or tissue were lysed in RIPA buffer which consists of 20 mM Tris‐HCl (pH 7.5), 150 

mM NaCl, 1 mM Na2EDTA, 1 mM EGTA, 1% NP‐40, 1% sodium deoxycholate, 2.5 mM 

sodium pyrophosphate, 1 mM beta‐glycerophosphate, 1 mM Na3VO4, 1 μg/ml leupeptin, 

Page 55: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

41 

0.1uM  okadaic  acid,  20mM  NaF  and  protease  inhibitor  cocktail  set  III  (Calbiochem 

#535140). After incubation on ice for 30 minutes, samples were centrifuged at 14,000 rpm 

for  15  minutes  in  a  cold  centrifuge  and  supernatant  was  saved.  Samples  were 

fractionated  by  SDS‐PAGE  and  transferred  to  Immobilon‐P  membranes  (Millipore 

Corp.). Membranes were blocked  for 1 hr  in TBS containing 5% nonfat milk and  then 

membranes were  incubated with primary antibody  in TBS containing 5% BSA or milk. 

Membranes were washed 4 times with 10 minutes each time in TBS with 0.5% Tween 20. 

Horseradish  peroxidase‐conjugated  secondary  antibodies  were  from  Jackson 

ImmunoResearch  Laboratories,  Inc.  and  were  used  at  1:5000  in  TBS  containing  5% 

nonfat milk. Membranes were incubated in secondary antibody at room temperature for 

1  to 2 hr and washed 4  times with 10 minutes each  time  in TBS with 0.5% Tween 20. 

Exposure was done with  the ECL kit  from Amersham Biosciences  (RPN2106). Protein 

amount is quantified with ImageJ software. Antibodies used are listed in Table 2. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 56: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

42 

Table 2: Antibodies  

  Catalog No. Company  Species  Dilution 

Anti‐phospho‐  AMPKα (Thr172) 

#2535  Cell Signaling  Rabbit  1:1000 

Anti‐AMPKα  #2532  Cell Signaling  Rabbit  1:1000 

Anti‐phospho‐ACC (S79) 

#3661  Cell Signaling  Rabbit  1:1000 

Anti CaMKK  #610545  BD Biosciences  Mouse  1:1000 

Anti‐β‐actin  #A5441  Sigma  Mouse  1:2000 

Anti‐phospho‐p44/42 MAPK (Erk1/2) (Thr 

202/Tyr 204) #9106S  Cell Signaling  Mouse  1:1000 

Anti‐p44/42 MAPK (Erk1/2) 

#9107  Cell Signaling  Mouse  1:1000 

Peroxidase‐conjugated affinipure goat anti‐rabbit IgG (H+L) 

111‐035‐003Jackson 

ImmunoResearchGoat  1:5000 

Peroxidase‐conjugated affinipure goat anti‐mouse IgG (H+L) 

115‐035‐003Jackson 

ImmunoResearchGoat  1:5000 

 

In Situ hybridization 

Brains were removed from 3‐month‐old mice, frozen in powdered dry ice, and stored at 

‐80  degree Celsius.  Ten micrometer  coronal  sections,  cut  serially  on  a  cryostat, were 

collected  at  the  midregion  of  the  hypothalamus  (bregma  ‐1.7),  thaw  mounted,  and 

stored  at  ‐80  degree  Celsius  until  use.  The  slides  were  then  processed  for  in  situ 

Page 57: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

43 

hybridization by transferring directly into ice‐cold 4% paraformaldehyde and fixing for 

10 min at room temperature. After a 10 min wash in 2 X SSC, sections were crosslinked 

for  5 min  with  an  ultraviolet  light  placed  30  cm  from  the  tissue.  Prehybridization, 

hybridization,  and  washing  steps  were  then  performed  as  described  previously 

(Anderson et al., 1998). RNA probes were synthesized as follows: cDNAs encoding PCR‐

generated  fragments of NPY, MCH, and CaMKK2 coding regions were subcloned  into 

the  polylinker  of  the  pCR2  (Invitrogen)  vector.  The  PCR  primer  pairs were  forward 

primer  131–151  and  reverse  primer  665–646  for  CaMKK2,  5’‐

CTCCGCTCTGCGACACCTAC‐3’  (forward)  and  5’‐AATCAGTGTCTCAGGGCT‐3’ 

(reverse)  for NPY,  and  5’‐ATTCAAAGAACACAGGCTCCAAAC‐3’  (forward)  and  5’‐

CGGATCCTTTCAGAGCGAG‐3’ (reverse) for MCH. Runoff [S35] UTP‐labeled sense and 

antisense transcripts corresponding to base pairs ‐10–524 of CaMKK2, base pairs 220–294 

of  NPY,  and  base  pairs  307–399  of  MCH  were  generated  using  SP6  or  T7  RNA 

polymerase  according  to  the  manufacturer’s  protocol  (Promega).  Unincorporated 

nucleotides were  removed  by washing  the  EtOH‐precipitated  RNA  pellets with  70% 

EtOH. 

 

Immunocytochemistry to detect NPY protein in N38 cells 

N38  cells  were  cultured  on  glass  coverslips.  Following  treatment  with  STO‐609, 

ionomycin, or 2‐DG,  the cells were  fixed  for 10 min  in 1% paraformaldehyde/PBS and 

Page 58: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

44 

washed and permeabilized for 10 min in 0.05% Triton X‐100, 20mM Tris (pH 7.4), 50 mM 

NaCl, 300 mM sucrose, and 3 mM MgCl2. After permeabilization, the cells were washed 

and blocked  for 20 min  in 5% normal  sheep  serum/PBS and  incubated overnight at 4 

degree  Celsius  with  rabbit  anti‐NPY  (Sigma,  N9528)  diluted  1:4000  in  5%  sheep 

serum/PBS. The cells were washed and  incubated  in  the dark  for 1 hr with anti‐rabbit 

Cy3 (Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc.) diluted 1:200 in 5% sheep serum/PBS, 

washed again, and mounted in hard‐set mounting medium (Vectashield) with DAPI. All 

washing steps were performed  in  triplicate  for 5 minutes with PBS, and  the procedure 

was  performed  at  room  temperature  except  for  the  4 degree Celsius  incubation with 

primary antibody. 

 

RNA isolation, reverse transcription, PCR and RT‐PCR 

Total RNA  from  cells and  tissues was extracted using TRIzol  (Invitrogen, #15596‐026) 

and  quantified  spectrophotometrically.  Single‐stranded  cDNA was  synthesized  using 

SuperScript  II  Reverse  Transcriptase  (Invitrogen,  #18064‐022)  according  to  the 

manufacturer’s  directions.  PCR  was  carried  out  with  Taq  DNA  Polymerase  (Apex) 

according  to  manufacturer’s  directions  and  primers  for  CaMKK2:  5’‐

TCCACTTGGGCATGGAATCCT‐3’  (forward) and 5’‐TCCTGGTACACTTGCTCGATG‐

3’ (reverse). PCR protocol is an initial denaturing step of five minutes at 95oC followed 

by 35 cycles of 95 oC for 30 seconds, 60 oC for 30 seconds and 72 oC for 1 minute and then 

Page 59: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

45 

a  final extension at 72 oC  for 10 minutes. Real‐time PCR was carried out using  iCycler 

(Bio‐Rad) with  the  IQ SYBR Green Supermix  (Bio‐Rad, #170‐8882) and  the primers  for 

different  genes  are  shown  in  Table  3.  After  deriving  the  relative  amount  of  each 

transcript  from  a  standard  curve,  transcript  levels were  normalized  to  18S  ribosomal 

RNA.  

Table 3: RT‐PCR primers  

Gene  Forward  Reverse 

CaMKK2  5’‐CATGAATGGACGCTGC‐3’  5’‐TGACAACGCCATAGGAGCC‐3’ 

18S  5’‐AGGGTTCGATTCCGGAGAGG‐3’  5’‐CAACTTTAATATACGCTATTGG‐3’ 

C/EBPβ  5’‐CGCCTTTAGACCCATGGAAG‐3’  5’‐CCCGTAGGCCAGGCAGT‐3’ 

C/EBPδ  5’‐GACTCCTGCCATGTACGA‐3’  5’‐GGTTGCTGTTGAAGAGGT‐3’ 

C/EBPα  5’‐TATAGACATCAGCGCCTACATCGA‐3’ 5’‐GTCGGCTGTGCTGGAAGAG‐3’ 

PPARγ  5’‐GGCCATCCGAATTTTTCAAG‐3’  5’‐GGGATATTTTTGGCATACTCTGTGA‐3’ 

aP2  5’‐AAGAAGTGGGAGTGGGCTTTG‐3’  5’‐CTCTTCACCTTCCTGTCGTCTG‐3’ 

Glut4  5’‐CATTCCCTGGTTCATTGTGG‐3’  5’‐GAAGACGTAAGGACCCATAGC‐3’ 

Fas  5’‐CCGAAGCCACAAAGCT‐3’  5’‐GTCAAGGTTCAGGGTGC‐3’ 

Pref‐1  5’‐AATAGACGTTCGGGCTTGCA‐3’  5’‐TCCAGGTCCACGCAAGTTCCATTGTT‐3’

Sox9  5’‐AGGTTTCAGATGCAGTGAGGAGCA‐3’ 5’‐ACATACAGTCCAGGCAGACCCAAA‐3’

 

Page 60: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

46 

2.5 RNAi, Transfections and Virus Infections

shRNA against CaMKK2 was obtained from Open Biosystems, including empty pLKO1 

vector,  shRNA3143  (TRCN0000028761)  and  shRNA3145  (TRCN0000028776).    These 

vectors were transfected into 293T cells with lentiviral packaging plasmids to make viral 

particles  by  FuGENE  (Roche,  11  814  443  001)  according  to  manufacturer’s 

recommendations. 24 and 48 hr after  transfection, cell medium was harvested,  filtered 

and  centrifuged  at  25000  rpm/4  degree  Celsius  for  3  hr  to  collect  virus.  3T3L1 

preadipocytes were  infected with virus containing pLKO1 vector, 3143 or 3145 shRNA 

vector using polybrene according to the manufacturer’s recommendations; the next day, 

infected  cells were  screened  by  treating with  2μg/ml puromycin.  Selected  stable  cells 

were maintained in media with 1μg/ml puromycin.  

Three siRNAs against AMPKα1 and three against AMPKα2 were obtained from 

Integrated  DNA  Technologies,  and  their  sequences  are  shown  in  Table  4.    Control 

siRNA  or AMPKα    siRNA was  transfected  into WT MEFs  using  Lipofectamine  2000 

reagent  (Invitrogen,  #11668‐019)  according  to  the  manufacturer’s  recommendations. 

Protein and RNA were harvested 4 days after transfection. 

Ad‐CMV‐GFP and Ad‐Cre‐IRES‐GFP viruses were obtained from Vector Biolabs. 

Flox‐CaMKK2 MEFs were  plated  in  6‐wells  plates  and  infected with  4X109  Pfu/well 

viruses using polybrene. Protein and RNA were extracted 6 days after infection.  

Page 61: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

47 

Table 4: siRNA targeting AMPKα  

siRNA targeting AMPKα1  siRNA targeting AMPKα2 

5’‐GUGGAGUAGCAGUCCCUGAUUUGGCUU‐3’3’‐CACCUCAUCGUCAGGGACUAAACCG‐3’ 

5’‐UUUGAAUUACCCACCCUGCUUGUUCAA‐3’ 3’‐AAACUUAAUGGGUGGGACGAACAAG‐5’ 

5’‐GCUUGAUUGCUCUACAAACUUCUGCCA‐3’3’‐CGAACUAACGAGAUGUUUGAAGACG‐5’ 

5’‐ACAGAAAGCCACUGCUCUCUUACUCUU‐3’ 3’‐TGUCUUUCGGUGACGAGAGAAUGAG‐5’ 

5’‐UAUAUAUACCUUAACAUCUCAGUGGUU‐3’3’‐ATAUAUAUGGAAUUGUAGAGUCACC‐5’ 

5’‐CAGCACAUUCUCUGGCUUCAGGUCCCU‐3’ 3’‐GTCGUGUAGAGACCGAAGUCCAGG‐5’ 

 

Statistical analysis 

Statistical significance was tested with unpaired student’s t test or ANOVA (GraphPad). 

P values < 0.05 were considered as significant. 

 

Page 62: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

48 

3. CaMKK2 contributes to the hypothalamic regulation of energy balance  

3.1 Introduction

Energy balance  is  achieved by precisely matching  anabolic  and  catabolic processes.  If 

energy expenditure  is exceeded by energy  intake,  the unused energy will be stored  in 

the form of fat and can result in obesity. The incidence of obesity and associated diseases 

such  as  type  2‐diabetes,  hypertension  and  cardiovascular  disorders,  has  reached 

epidemic proportions world‐wide (Mokdad et al., 2003; Must et al., 1999; Zamboni et al., 

2005). Extensive studies have been done to understand the mechanisms responsible for 

food intake. The CNS, especially the hypothalamus, has been emphasized in integrating 

hormonal  and nutrient  signals  from  the periphery  to modulate  food  intake  and body 

weight  (Morton et al., 2006). One especially  important orexigenic hormone  functioning 

in the CNS is ghrelin, which is produced by the stomach and stimulates food intake via 

the hypothalamus. Ghrelin mediates  its effect on  food  intake by upregulation of NPY 

and  AgRP,  the  most  potent  physiological  appetite  transducers  known  in  mammals 

(Kalra and Kalra, 2004).   At the molecular  level, ghrelin binds the Gq‐coupled receptor 

expressed  on  NPY  neurons  and  leads  to  an  increase  of  intracellular  Ca2+  which  is 

required  for  transcriptional activation of  the NPY and AgRP.   Blocking NPY action or 

selectively ablating NPY neurons in rodents suppresses feeding and reduces obesity and 

Page 63: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

49 

fasting‐induced responses (Broberger and Hokfelt, 2001; Gropp et al., 2005; Luquet et al., 

2005).  These  observations  have  promoted  considerable  effort  to  design  antagonists 

against NPY or  its  receptors as  therapeutics.   However, poor bioavailability and brain 

penetration and non‐selective nature of action have thus far confounded development of 

an effective therapeutic and have underscored the need to identify additional signaling 

components in the pathway (Kalra and Kalra, 2004). 

Around 2005, AMPK was  identified as one component downstream of ghrelin 

and  upstream  of  NPY/AgRP.    The  i.p.  or  i.c.v.  injection  of  ghrelin  elevated  the 

phosphorylation  and  activation  of  AMPK  in  the  hypothalamus;  while  the  i.c.v. 

administration  of  AICAR  induced  food  intake  and  body  weight  gain.  In  addition, 

overexpression  of  dominant  negative  or  constitutively  active  AMPK  revealed  a 

correlation  between AMPK  activity  and  expression  of NPY  (Minokoshi  et  al.,  2004).  

However,  how  the  ghrelin  signal  reaches  AMPK  still  remains  unclear,  as we  know 

AMPK needs to be phosphorylated and activated by an upstream kinase. CaMKK2 was 

shown  to  function  as  a physiologically  relevant AMPK  kinase  in  cells,  responding  to 

elevated  intracellular  Ca2+.  The  abundant  expression  of  CaMKK2  in  brain  led  us  to 

predict  that Ca2+/CaM/CaMKK2 may  regulate  the  phosphorylation  of AMPK  in NPY 

neurons of the hypothalamus (Witters et al., 2006). 

     Here  we  show  that  one  primary  defect  in  CaMKK2‐null  mice  is  reduced 

hypothalamic AMPK activity and downregulation of NPY and AgRP gene expression in 

Page 64: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

50 

NPY  neurons.    Acute  i.c.v.  injection  of  a  CaMKK  inhibitor  to WT  mice  results  in 

decreased  food  intake  that  correlates  with  decreased  hypothalamic  NPY  and  AgRP 

mRNAs,  but  not  in  CaMKK2‐null  mice.  Intriguingly,  the  absence  of  CaMKK2  also 

protects mice from diet‐induced weight gain, glucose intolerance and insulin resistance.  

Taken  together,  our data  suggest CaMKK2  functions  as  an AMPK  kinase  to  regulate 

food intake in the hypothalamus. 

 

3.2 Results

 

CaMKK2 regulates NPY in the hypothalamus 

Immunoblotting of hypothalamic extracts from wild type (WT) and CaMKK2‐null (KO) 

mice revealed  that CaMKK2 protein  is present  in  this part of  the brain appearing as a 

doublet  (Fig.  6A).   To  identify  special  regions where CaMKK2 might  co‐localize with 

AMPK and thus function as an AMPKK, its expression pattern was examined by in situ 

hybridization.  NPY  and  melanin‐concentrating  hormone  (MCH)  are  neuropeptides 

expressed within neurons present only in the ARC or the VMH respectively, and serve 

as positive  controls.   Consistent with previous  studies  in  rat brain, CaMKK2  signal  is 

strong  in  the  hippocampus  and  cortex  and  is  shown  here  also  present  in  the 

hypothalamus, especially the ARC (Fig. 6B).  ARC punches also enriched CaMKK2, NPY, 

AgRP  and  POMC mRNA  relative  to  the whole  hypothalamus  (Fig.  6C).  In  contrast, 

Page 65: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

51 

MCH,  the  control  for  VMH, was  barely  detectable.  To  evaluate  the  possibility  of  a 

functional  correlation  between CaMKK2  and NPY, we  compared  hypothalamic NPY, 

AgRP, and POMC mRNA levels in WT and CaMKK2‐null mice. Fig. 6D shows decreased 

NPY and AgRP levels in the mutant mice, but no significant difference in POMC. These 

results implicate CaMKK2 in a pathway that regulates NPY and AgRP in NPY neurons. 

Since CaMKK2  can  function  as  an AMPK kinase  in  cells, we questioned whether  the 

absence  of  CaMKK2  alters  hypothalamic  AMPK  activity.  AMPK  was 

immunoprecipitated  from protein  extracts prepared  from WT  and CaMKK2‐null mice 

and assayed in vitro. A statistically significant decrease in AMPK activity was observed 

in the CaMKK2‐null samples (Fig. 6E), consistent with diminished AMPK‐NPY signaling. 

We suspect  that  the modest decrease  in  total hypothalamic AMPK activity  reflects  the 

observation that CaMKK2 expression is restricted to a small region of the hypothalamus 

and  is  considerably  enriched  in punch biopsies  containing  the ARC  (Fig.  6B  and  6C), 

whereas AMPK  activity  is  detected  throughout  the  hypothalamus  (Minokoshi  et  al., 

2004). 

Ghrelin can bind to GHSR present on NPY neurons, which leads to an increase in 

intracellular Ca2+  and  activation of  the AMPK‐NPY pathway  (Cummings  et  al., 2005). 

This signaling pathway was further evaluated by systemic administration of ghrelin to 

WT and CaMKK2‐null mice. Ghrelin  increased  food  intake of WT animals at 1 hr and 

overnight but had no effect on food intake of CaMKK2‐null mice (Fig. 6F). The ghrelin 

Page 66: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

52 

 

Page 67: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

53 

                                                     

Figure 61: CaMKK2 is expressed in the hypothalamus and regulates NPY. 

A. CaMKK2 protein is expressed in the hypothalamus. Protein extracts of hypothalamus from wild‐type (WT) and CaMKK2‐null (KO) mice were immunoblotted for CaMKK2. CaMKK2 protein appears as a doublet in the WT sample and is absent from the KO sample.  B. CaMKK2 mRNA is expressed in the hypothalamus. Coronal mouse brain sections collected at the midregion of the hypothalamus were incubated as indicated with antisense riboprobes against NPY and MCH, which serve as positive controls for the arcuate nucleus (ARC) and ventromedial hypothalamus (VMH), respectively, and against CaMKK2.  C. CaMKK2, NPY, AgRP, and POMC mRNAs are enriched in ARC punch biopsies from hypothalamus of WT mice. n = 3.  D. NPY and AgRP mRNA levels are decreased in hypothalamus of CaMKK2‐null mice. Total RNA was isolated from hypothalamus of WT and CaMKK2‐null mice that had been fasted overnight, and NPY, AgRP, and POMC mRNA levels were quantified by RT‐PCR. n = 8; *p < 0.05.  E. AMPK activity is decreased in hypothalamus of CaMKK2‐null mice. Following immunoprecipitation of AMPK from hypothalamic extracts of fasted WT and CaMKK2‐null mice, AMPK activity was determined in vitro with SAMS peptide as substrate. A representative experiment is shown. n = 4; *p < 0.05.  F. Food intake of CaMKK2‐null mice is unaffected by exogenously administered ghrelin. WT and CaMKK2‐null mice were given intraperitoneal (i.p.) injections of saline or ghrelin (3 nmol/100 ml per mouse) 1 hr before onset of dark cycle, and food intake was quantified at 1 hr and overnight. n = 11 (WT), n = 12 (CaMKK2‐null); *p < 0.05.  G. Food intake of CaMKK2‐null and WT mice is affected similarly by 2‐DG. In the control experiment, mice were given i.p. injections of 2‐deoxyglucose (2‐DG) at a dose of 15 mg/100 ml per mouse, and food intake was monitored as in (F). n = 11 (WT), n = 12 (CaMKK2‐null); *p < 0.05. Data are presented as mean ± SEM.       

 

1 Figure 6A‐E were kindly contributed by Dr. Kristin Anderson. 

Page 68: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

54 

signal  can  be  bypassed  by  2‐DG,  which  causes  AMP/LKB1‐dependent  activation  of 

AMPK due  to depletion of cellular energy stores and a rise  in  the AMP/ATP ratio. As 

shown  in Fig. 6G, systemic administration of 2‐DG stimulated  the  food  intake of both 

WT and CaMKK2‐null mice to the same extent. Collectively, our data indicate a signaling 

defect  in  the  NPY  neurons  of  CaMKK2‐null mice  lying  downstream  of  ghrelin  and 

upstream of AMPK that affects the expression of NPY and AgRP mRNAs. 

 

STO-609 Blocks Ca2+-Dependent Induction of NPY

In  order  to  provide  more  direct  evidence  linking  CaMKK2,  AMPK,  and  NPY 

production, we  employed N38  cells,  an  immortalized  cell  line  derived  from mouse 

hypothalamus  that  have  been  shown  to  express NPY.  These  cells  express CaMKK2 

(Fig.7A).  In  these  cells, AMPK  signaling  can  be  activated  by  treating  the  cells with 

ionomycin, which increases intracellular Ca2+ leading to activation of CaMKK2 (Fig. 7B).  

2‐DG, which raises the AMP/ATP ratio, also activates AMPK in N38 cells indicated by 

increased  levels  of  phosphorylated  AMPK  and  phosphorylated  ACC.  The  selective 

CaMKK2  inhibitor  STO‐609  blocks  the  ionomycin‐induced  increases  in  AMPK  and 

ACC phosphorylation, but not  the activation of AMPK caused by 2‐DG  (Fig. 7B). We 

used  immunocytochemistry  to  show  that  ionomycin  increases  the amount of NPY  in 

N38 cells and that this increase is prevented by the selective CaMKK inhibitor STO‐609 

(Fig. 7C and 7D). These data confirmed in vitro that a rise in Ca2+ results in activation of  

Page 69: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

55 

 

Page 70: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

56 

                                                     

Figure 72:  Ca2+‐dependent induction of NPY expression in N38 cells is blocked by STO‐609 

A. CaMKK2 protein is detected in N38 cell protein extracts by immunoblotting.  B. N38 cells were incubated for 1 hr with vehicle or with 10 mM STO‐609, followed by stimulation with 1 mM ionomycin for 5 min or 50 mM 2‐DG for 15 min. Cell extracts were prepared and immunoblotted for phosphorylated AMPK (p‐AMPK), total AMPK, and p‐ACC. STO‐609 selectively blocks the ionomycin‐induced increase in p‐AMPK and p‐ACC. One representative experiment is shown.  C. N38 cells were incubated for 1 hr with vehicle or with 10 mM STO‐609, followed by stimulation with 1 mM ionomycin or with 50 mM 2‐deoxy glucose (2‐DG) for 6 hr. The cells were then fixed, and the NPY protein signal (red) was visualized by immunocytochemistry. The cells were co‐stained with the DAPI nuclear marker (blue). One representative experiment is shown. n = 3.  D. NPY signal intensity in (C) was quantified using MetaMorph version 7.1 software. Forty cells were analyzed for each condition. Shown are mean ± SEM. n = 40; *p < 0.0002.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Figure 7 was kindly contributed by Dr. Kristin Anderson. 

Page 71: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

57 

CaMKK2, which in turn phosphorylates AMPK, leading to an increase in NPY. 

 

Depletion or Inhibition of CaMKK2 Inhibits Food Intake

NPY is a well‐established potent orexigenic factor, and depleting NPY signaling in mice 

reduces refeeding after a fast. This phenotype is most severe during the first hour of the 

refeeding period and gradually returns to normal by 24 hr (Segal‐Lieberman et al., 2003). 

When  refeeding behavior was examined  in CaMKK2‐null animals,  they were  found  to 

exhibit  a  defect  similar  to  that  previously  reported  for NPY‐depleted mice  (Fig.  8A). 

After  a  48 hr  fast, CaMKK2‐null mice  ate  less  than WT mice during  a  6 hr  refeeding 

period, with the greatest decrease in food intake occurring at the early time points, but 

by 48 hr  the difference was abrogated  (Fig. 8A). Fig. 8B shows  that  the  food  intake of 

nonfasted  WT  and  CaMKK2‐null  animals  over  a  48  hr  period  is  the  same.  i.c.v. 

administration  of NPY  to  rats  led  to  robust  induction  of  food  intake, while  chronic 

infusion  resulted  in  increased adiposity and  insulin  resistance  (Clark et al., 1984), and 

ablation of NPY neurons  in adult mice  induced  life‐threatening anorexia  (Gropp et al., 

2005; Luquet et al., 2005). The hypothesis that CaMKK2 controls appetite by regulating 

NPY gene expression in the hypothalamus predicts that acute inhibition of CaMKK2 in 

WT animals should decrease appetite but not in CaMKK2‐null mice. To test this idea, the 

selective CaMKK inhibitor STO‐609 was administered i.c.v. to adult male WT mice, and 

Page 72: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

58 

Page 73: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

59 

                                                     

Figure 83:  Deletion or inhibition of CaMKK2 inhibits food intake 

A. CaMKK2‐null mice display reduced refeeding after a fast. Food intake was quantified hourly during a 6 hr refeeding period and at 48 hr, following a 48 hr fast. n = 7; *p < 0.02. B. In the control experiment, the food intake of nonfasted animals was measured. C and D. Intracerebroventricular (i.c.v.) administration of STO‐609 to WT mice, but not to CaMKK2‐null mice, decreases food intake. STO‐609 was administered i.c.v. to WT and CaMKK2‐null mice continuously for 6 days at a concentration of 20 mM and a rate of 0.5 ml/hr, during which time food intake was measured daily. Cumulative food intake is shown. n = 9; *p < 0.05 (C); n = 10 (D).  E and F. Change in body weight by the end of the 6 day experiment is plotted as a percentage of the starting value obtained before the cannulation surgery. n = 7. G. At the end of the experiment, WT animals were sacrificed, and hypothalamic NPY and AgRP mRNAs were quantified by real‐time PCR. n = 7; *p < 0.05. Data are presented as mean ± SEM.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

3 Figure 8A and 8B were kindly contributed by Thomas Ribar. 

Page 74: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

60 

the  effect on  appetite was  assessed by quantifying  food  intake. Compared  to  animals 

receiving  saline,  the WT  STO‐609  group  ate  significantly  less  food during  the  6 days 

over which food intake was monitored (Fig. 8C) and also lost body weight (Fig. 8E). We 

repeated the same experiment using adult male CaMKK2‐null mice. Whereas the mutant 

mice receiving vehicle consumed a similar amount of food as vehicle treated WT mice, 

STO‐609 did not change the feeding behavior or decrease the body weight of CaMKK2‐

null mice (Fig. 8D and 8F). In addition, STO‐609 also decreased hypothalamic NPY and 

AgRP mRNAs in the WT mice (Fig. 8G). The effects of STO‐609 on food intake and NPY 

and  AgRP  mRNA  expression  in  WT  mice,  but  not  CaMKK2‐null  mice,  provide 

compelling  independent  evidence  that  CaMKK2  signaling  is  required  for  appetite 

control.  

 

CaMKK2-null mice are resistant to high-fat diet-induced obesity, glucose intolerance and insulin resistance

Impaired NPY  signaling  in CaMKK2‐null mice  indicates  these mice will  consume  less 

food  and  accumulate  less  body  weight.  However,  we  did  not  observe  predicted 

phenotype when mice were fed standard chow. Therefore we utilized the Surwit diet; a 

nutritionally  paired  low‐fat/high‐fat  diet  that  is  commonly  used  for  the  diet‐induced 

obese  model  and  that  was  developed  for  C57BL/6J  mice,  the  predominant  genetic 

background of our mice  (Petro et al., 2004; Surwit et al., 1988). WT and CaMKK2‐null 

mice were  fed either a  low‐fat control diet  (D12328 CCO) or  the high‐fat equivalent of 

Page 75: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

61 

this diet  (D12330 HCO)  from weaning  (3 weeks of age)  to 34 weeks of age. The body 

weight gain of CaMKK2‐null mice was significantly decreased compared to WT control 

animals  fed  the  low‐fat diet  (Fig. 9A), and  this difference was even bigger  for animals 

maintained on  the high‐fat diet (Fig. 9B). As predicted, CaMKK2‐null mice displayed a 

reduced average daily food intake over the course of the experiment (Fig. 9C) and they 

also displayed a reduction in adiposity measured after 31 weeks on either diet (Fig. 9D). 

Glucose  tolerance  testing  revealed  that WT mice on  the high‐fat diet had become  less 

tolerant compared to WT animals maintained on low‐fat diet (Fig. 9E and 9F). CaMKK2‐

null mice fed the low‐fat diet responded to glucose almost the same as WT mice on the 

same diet. However, CaMKK2‐null mice fed the high‐fat diet managed to remain glucose 

tolerant as well as mutant mice kept on  low‐fat diet  (Fig. 9E and 9F). After 1 week of 

recovery,  the same group of animals was  tested  for  insulin sensitivity. Consistent with 

the results from the glucose tolerance test, WT mice fed high‐fat diet had developed the 

predicted  insulin  resistance, whereas CaMKK2‐null  animals were protected  from diet‐

induced  changes  in  insulin  resistance  (Fig.  9G  and  9H).  After  an  additional  several 

weeks of  recovery,  the animals were  sacrificed and  serum  levels of ghrelin and  leptin 

were quantified. As shown  in Fig. 9I, CaMKK2‐null mice did not exhibit a decrease  in 

ghrelin  levels,  indicating  their ability  to synthesize and secrete ghrelin.  In  fact, ghrelin 

levels were  increased  in CaMKK2‐null mice fed high‐fat diet, suggesting the possibility 

that these mice attempt to compensate for a defect in the ghrelin signaling pathway by  

Page 76: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

62 

Page 77: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

63 

                                                     

Figure 94: CaMKK2‐null mice consume less food and are resistant to high‐fat diet‐induced adiposity, glucose intolerance and insulin resistance 

Twenty male WT and CaMKK2‐null mice were housed five per cage at the age of weaning and fed control (D12328) or high‐fat (D12330) diets from Research Diets for 31 weeks. Measurements of food intake and weight gain were performed weekly. A and B. Growth curves of the two groups on both diets show that the CaMKK2‐null mice gain significantly less weight than the WT mice. *p < 0.01 by one‐way ANOVA. C. Average daily food intake of CaMKK2‐null mice is reduced compared to control animals. *p < 0.02.  D. Dual energy X‐ray absorptiometry (DEXA) scans of CaMKK2‐null mice indicate a significant decrease in adiposity compared to WT animals after 31weekson either control or high‐fat diet. *p<0.02. E‐H. On the high‐fat diet, CaMKK2‐null mice also remain glucose tolerant (E and F) and insulin sensitive (G and H) relative to WT mice. *p < 0.01. I and J. After 31 weeks on low‐fat (n = 5) or high‐fat (n = 10) diet, WT and CaMKK2‐null mice were sacrificed, and total serum ghrelin (I) and leptin (J) levels  were quantified. *p < 0.05. K. After 31 weeks on high‐fat chow, WT and CaMKK2‐null mice were either fasted overnight or fed ad libitum. The animals were then sacrificed, and hypothalamic NPY mRNA levels were quantified by real‐time PCR. n = 4; *p < 0.02.  Data are presented as mean ± SEM.  

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Figure 9 was kindly contributed by Thomas Ribar. 

Page 78: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

64 

increasing its production. Serum leptin was decreased in CaMKK2‐null mice fed high‐fat 

diet compared to WT mice (Fig. 9J). This may result from  lower adiposity  in CaMKK2‐

null mice. It is also possible that mutant animals attempted to compensate for the defect 

in the ghrelin pathway by depressing the opposite leptin signaling.  Hypothalamic NPY 

mRNA was decreased in the CaMKK2‐null mice fed the high‐fat diet relative to WT mice, 

and  the  decrease  was  accentuated  upon  fasting  (Fig.  9K).  Together,  these  data  are 

consistent with  our  observations  in  Fig.  6  that CaMKK2‐null mice  cannot  respond  to 

ghrelin with  the appropriate  increase  in  feeding and  that  this may be partially due  to 

decreased production of NPY. 

 

3.3 Discussion

In  this  chapter, we  provide  evidence  that  hypothalamic  CaMKK2 mediates  ghrelin‐

induced  feeding.  In  the absence of CaMKK2, mice ate  less and accumulated  less body 

weight and fat stores when maintained on either low‐fat or high‐fat diet. The CaMKK2‐

null  animals  expressed  reduced  levels  of  hypothalamic NPY  and AgRP mRNAs  and 

were  unresponsive  to  the  orexigenic  effects  of  exogenously  administered  ghrelin. 

Furthermore, i.c.v. infusion of the selective CaMKK2 inhibitor STO‐609 in adult WT mice 

resulted  in the acute suppression of NPY expression and food  intake. The resistance of 

CaMKK2‐null  mice  to  suppression  of  food  intake  by  STO‐609  infusion  provides 

compelling evidence that CaMKK2  is the direct target of the drug and that the specific 

Page 79: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

65 

inhibition of CaMKK2  in NPY neurons  is  likely  responsible  for  the decreased  level of 

NPY and AgRP mRNAs and feeding behavior. 

We hypothesize that CaMKK2 stimulates NPY expression by functioning as the 

AMPK  kinase  linking  ghrelin‐dependent Ca2+  signaling  to AMPK  activation. The  fact 

that CaMKK2‐null mice  exhibited  reduced hypothalamic AMPK  activity  supports  this 

idea.  According  to  this model, we would  predict  that  CaMKK2  and  NPY  null mice 

should share a similar metabolic phenotype.  Indeed, CaMKK2‐null mice share reduced 

refeeding behavior with NPY‐null mice. However, other  than  that, CaMKK2‐null mice 

act quite normally when  fed  standard  chow  ad  libitum.   They do not  show decreased 

appetite  and  reduced  body weight.  In  fact,  CaMKK2‐null mice  gain more  adiposity, 

which is described in chapter 4. Similar phenotypes were observed in NPY/NPY‐Y‐null 

mice and people have suggested it results from certain compensatory mechanisms. Once 

CaMKK2‐null  mice  were  switched  to  the  Surwit  diet,  they  began  to  eat  less  and 

accumulated  less  body  weight  and  fat  on  either  low‐fat  or  high‐fat  diet.  Our  data 

suggest  that,  like  NPY‐null  animals,  CaMKK2‐null  mice  develop  pathways  to 

compensate  for  diminished NPY  signaling,  and  these  pathways  function  to  prevent 

eating disorders as long as the animals are fed standard chow. Once on the low‐ or high‐

fat  Surwit  diets,  the  compensatory  pathways  acquired  by  CaMKK2‐null  mice  are 

apparently  no  longer  effective,  and  the  feeding  defects  predicted  from  low NPY  are 

exposed. 

Page 80: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

66 

An  intriguing phenotypic  consequence  of depleting CaMKK2 was  observed  in 

animals maintained on the high‐fat diet, as these mice were protected from the glucose 

intolerance  and  insulin  resistance  that  developed  in WT  controls  over  the  course  of 

several  months.  Although  the  mechanism  responsible  for  the  improved  glucose 

handling is unknown, there are several possibilities. Since obesity represents the leading 

risk  factor  for  the  development  of  type  2‐diabetes,  the  improvements  observed  in 

CaMKK2‐null mice may result directly from their accumulating less fat stores compared 

to WT mice  prior  to  glucose  and  insulin  testing  (Golay  and Ybarra,  2005).  Improved 

glucose tolerance is also consistent with enhanced leptin signaling (Elmquist et al., 2005), 

implicated in CaMKK2‐null mice by decreased hypothalamic AMPK activity (Minokoshi 

et al., 2004).  In  fact,  it  is possible  that enhanced  leptin signaling  in CaMKK2‐null mice 

may contribute as well to the observed decreases in food intake and body weight gain. 

We  also  cannot  rule  out  the  possibility  that  CaMKK2  regulates  glucose  homeostasis 

through  action  in  energy  expenditure. NPY  and  AgRP  are  both  shown  to  suppress 

energy expenditure by  inhibiting  thermogenesis  in brown adipose  tissue  (Billington et 

al.,  1991;  Small  et  al.,  2003). Absence  of CaMKK2  in  the hypothalamus may  result  in 

increased  energy  expenditure  through  reducing  NPY/AgRP  signaling.  Anyway,  the 

behavior of CaMKK2‐null mice on  the high‐fat diet underscores  the value of  targeting 

CaMKK2 as a possible therapeutic locus in the treatment of obesity and diabetes.  

 

Page 81: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

67 

4. CaMKK2 Regulation of Food Intake and Energy Balance Can Be Uncoupled  

4.1 Introduction

As we  showed  in  the  last  chapter, when  fed high‐fat diet, CaMKK2‐null mice  gained 

much less adiposity compared to WT animals. At the same time CaMKK2‐null mice were 

much more resistant to high‐fat diet‐induced glucose intolerance and insulin resistance. 

Although we have revealed that these phenotypes could be explained by the reduction 

of  food  intake  resulting  from  decreased  NPY/AgRP  expression  in  the  ARC  of  the 

hypothalamus  in CaMKK2‐null mice, we  could  not  rule  out  the possibility  that  other 

pathway(s) affected by loss of CaMKK2 also participate. In order to understand whether 

the reduction of food intake is the only primary factor changed in CaMKK2‐null mice, a 

pair feeding experiment using high‐fat diet was arranged.  

Regulation of energy expenditure  is also  important  to maintain energy balance. 

One of  the most significant energy dissipating mechanisms  in mammals  takes place  in 

BAT.  BAT  is  critical  for  respiratory  uncoupling  and  nonshivering  thermogenesis  in 

rodents  (Heldmaier  and  Buchberger,  1985).  In  BAT,  uncoupling  protein  1  (UCP1),  a 

proton  carrier  residing  in  the  inner mitochondrial membrane,  allows  protons  to  leak 

through  the membrane  bypassing ATP  synthase  and  turning  the  energy directly  into 

heat  (Nubel  and Ricquier,  2006).  BAT  is  regulated  by  the  hypothalamus  through  the 

sympathetic nervous system (SNS). It has been shown that inactivation of AMPK in the 

Page 82: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

68 

hypothalamus increased SNS activity and upregulated thermogenic markers expression 

in  BAT  (Lopez  et  al.,  2010). AgRP  is  also  revealed  to  regulate  BAT  activity. Chronic 

central nervous  system administration of AgRP  significantly decreased  the amount of 

UCP1  in  rat  (Small  et  al.,  2001).  In  another  pathway,  NPY  released  from  the  ARC 

interacted with Y5 receptors in the PVN, which leads to the inhibition of the VMH cells 

and  BAT  activity  (Billington  et  al.,  1991,  1994).  The  decrease  of AMPK  activity  and 

reduced NPY/AgRP expression  in  the hypothalamus of CaMKK2‐null mice  infers BAT 

might also contribute to metabolic phenotype of knockout mice.  

In  this  chapter, we  show  that  even with  same  calorie  intake  on  high‐fat  diet, 

CaMKK2‐null mice still gained less body weight and adiposity compared to WT controls 

and  knockout  mice  also  displayed  better  glucose  and  insulin  tolerance.  Although 

restriction  on  food  intake  did  decrease  the  body  weight  gain  in WT  mice,  similar 

increase in adiposity, glucose intolerance and insulin resistance suggests that something 

other than food intake is altered due to loss of CaMKK2. We also found that under 5001 

standard chow, CaMKK2‐null mice possessed larger interscapular brown adipose tissue 

and displayed stronger thermogenesis when exposed to a cold environment. However, 

further DEXA scan analysis indicated that CaMKK2‐null mice had equal amount of BAT 

on  low‐fat diet or even  less BAT on high‐fat diet compared  to WT animals. Metabolic 

chamber analysis also  showed  that pair  fed CaMKK2‐null mice produced  less heat on 

high‐fat  diet. We  also  presented  that  under  5001  standard  chow,  CaMKK2‐null mice 

Page 83: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

69 

have more adiposity and larger adipocyte size. When switched to low‐fat or high‐fat diet, 

WT mice had a significant  increase  in adipocyte size but  the  increase  in CaMKK2‐null 

mice was much smaller. Taken  together, our data  indicate  that CaMKK2  regulation of 

food intake can be uncoupled from its effect on energy balance. 

 

4.2 Results

WT mice pair-fed with CaMKK2-null mice still display high-fat diet-induced adiposity, glucose intolerance and insulin resistance

To  test whether  food  intake  is  the primary reason  for protection of CaMKK2‐null mice 

from high‐fat diet‐induced obesity and diabetes, we employed a pair feeding experiment 

to compare metabolic phenotypes between WT and knockout mice under high fat diet. 

Young adult mice (3 months old) were housed individually and food intake of WT mice 

was restricted to the amount that CaMKK2‐null mice consumed. After 30 weeks, WT and 

CaMKK2‐null mice shared  the same  food  intake, but WT mice still gained much more 

weight  compared  to mutant mice  (Fig.  10A  and  10B). However, body weights of WT 

mice were less compared to those when fed high‐fat diet ad libitum (Fig. 9B). DEXA scan 

showed that WT mice still gained more adiposity compared to CaMKK2‐null mice (Fig. 

11A).  In  glucose  tolerance  test,  WT  mice  showed  intolerance  to  glucose  whereas 

CaMKK2‐null mice remained tolerant (Fig. 11B). After a week of recovery, same groups 

of mice were tested for insulin sensitivity. WT mice developed insulin resistance while 

Page 84: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

70 

 

Figure 10: CaMKK2‐null mice have the same food intake but less body weight gain in high‐fat diet pair feeding 

Fourteen male 3 month‐old WT and CaMKK2‐null mice were housed individually and fed high‐fat (D12330) diets from Research Diets for 30 weeks. Measurements of food intake and weight gain were performed daily.  A. Cumulative food intake curves show that CaMKK2‐null mice consumed same amount of food compared to WT animals. B. Growth curves of the two groups show that the CaMKK2‐null mice gain significantly less weight than the WT mice. *p < 0.01 by one‐way ANOVA.  

 

Page 85: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

71 

 

Figure 11:  CaMKK2‐null mice gained less adiposity and remained glucose tolerant and insulin sensitive compared to pair‐fed WT mice 

A. DEXA scans of CaMKK2‐null mice indicate a significant decrease in adiposity compared to WT animals after 30 weeks’ pair feeding on high‐fat diet. *p<0.05. B and C. CaMKK2‐null mice also remain glucose tolerant (B) and insulin sensitive (C) relative to WT mice. *p < 0.01. n=12 for WT mice; n=14 for CaMKK2‐null mice.  

Page 86: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

72 

CaMKK2‐null animals  remained  insulin‐sensitive  (Fig. 11C). These data  infer  that  food 

intake  is not  the primary  factor  contributing  to protection of CaMKK2‐null mice  from 

high‐fat diet‐induced obesity and diabetes. 

 

CaMKK2-null mice have increased brown adipose tissue and thermogenic response to a cold environment on standard chow

Since normalizing  food  intake did not eliminate  the metabolic difference between WT 

and knockout mice, we tried to pursue the answer from the other direction.   BAT is an 

important organ  for energy  expenditure under  control of SNS activity.  Inactivation of 

AMPK  stimulates  the  activity  of  SNS  and  enhances BAT  activity  (Lopez  et  al.,  2010).  

Hypothalamic AgRP and NPY were both reported to  inhibit BAT activity (Small et al., 

2001; Chao et al., 2011). We have shown that CaMKK2‐null mice had decreased AMPK 

activity  and  reduced AgRP/NPY  expression. Oury  and  colleagues  also presented  that 

CaMKK2/CaMKIV  signaling  pathway  in  VMH  phosphorylates  and  activates  CREB, 

which ultimately leads to inhibition of SNS (Oury et al., 2010). It is reasonable to predict 

that activities of SNS and BAT would be enhanced in CaMKK2‐null mice. Therefore, we 

checked BAT size in both types of mice. Indeed, there is more BAT in CaMKK2‐null mice 

compared  to WT  animals when  fed  standard  chow  (Fig.  12A). We  also  tested  their 

thermogenic responses in a cold environment. Consistent with the observation of larger 

BAT, CaMKK2‐null mice also displayed a stronger thermogenic ability to maintain their 

body temperature in an 8 hr 8 degree Celsius exposure (Fig. 12B). 

Page 87: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

73 

 

Figure 12: CaMKK2‐null mice have increased BAT and enhanced cold‐induced thermogenesis on standard chow 

A. The interscapular brown adipose tissue from 14 WT and CaMKK2‐null mice fed 5001 standard diet was quantified by DEXA scan. n=14, *p < 0.01.  B. The thermogenic response of fasted WT and CaMKK2‐null mice was compared by housing animals individually at 8°C for 8 hr, during which time rectal temperature was monitored hourly. n = 10; *p < 0.006. 

Page 88: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

74 

CaMKK2-null mice have smaller BAT and produced less heat on high-fat diet

As we  observed more  BAT  and  enhanced  thermogenesis  capability  in  CaMKK2‐null 

mice on standard chow, we wanted  to know whether enhanced thermogenesis  in BAT 

protected knockout mice from high‐fat diet‐induced obesity.  Analysis on DEXA scans of 

mice fed low‐fat or high‐fat diet revealed the opposite of what we predicted. As shown 

in Fig. 13A, CaMKK2‐null mice have an equal amount of interscapular BAT compared to 

WT animal when fed low‐fat diet. WT mice had a large increase in BAT on high‐fat diet 

but CaMKK2‐null mice only displayed a slight  increase. We also directly  isolated BAT 

from mice pair‐fed on high‐fat diet. Again, we found much larger BAT in WT mice (Fig. 

13B). Consistent with what we observed  in BAT, metabolic chamber analyses revealed 

that CaMKK2‐null mice produced significantly less heat compared to WT controls pair‐

fed  on  high‐fat  diet.  These  data  infer  that  BAT may  not  play  an  important  role  in 

protecting CaMKK2‐null mice from high‐fat diet‐induced obesity and diabetes. 

 

High-fat diet affects adiposity and adipocyte size differently in WT and CaMKK2-null mice 

Although CaMKK2‐null mice had less adiposity compared to WT mice when fed low‐fat 

or high‐fat diet, we found that adult mutant mice have significantly more adipose tissue 

under standard diet, and this difference was not age‐dependent as it was also evident  

Page 89: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

75 

 

Figure 13: CaMKK2‐null mice have less BAT and produce less heat when fed high‐fat diet 

A. DEXA scans on interscapular area of mice fed ad libitum on CCO or HCO diet. WT mice have more BAT under HCO. *p < 0.05. n=17 for WT CCO; n=18 for KO CCO; n=13 for WT HCO; n=16 for KO HCO.  B. Half of interscapular BAT was isolated from mice pair fed on HCO diet.  C. WT and CaMKK2‐null mice pair‐fed on high‐fat diet were housed in individual metabolic chamber, and heat production was monitored for 48 hr. *p < 0.001, n=12. 

Page 90: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

76 

 

Figure 14: Adipocyte analysis of WAT from WT and CaMKK2‐null mice fed different diets 

A. DEXA scans of CaMKK2‐null (KO) mice indicate a significant increase in adiposity compared to WT animals at weaning (3 weeks, n=10, *p<0.02) or after 3 months on standard 5001 chow. n=10; * P<0.005.  B. H&E staining of gonadal fat pad sections. C. Size of adipocytes in B was quantified by ImageJ software. n=50, *p< 0.001.  

Page 91: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

77 

 

Figure 15: Adiposity analysis on retroperitoneal and epididymal fat pads in WT and CaMKK2‐null mice fed different diets 

A and B. Fat in the region corresponding to retroperitoneal fat (A) and epididymal fat (B) was quantified from DEXA scan. Shown are mean+/‐SEM. n=14 for WT or KO 5001; n=17 for WT CCO; n=18 for KO CCO; n=13 for WT HCO; n=16 for KO HCO.  *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001.  

 

Page 92: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

78 

in  3‐week‐old mice  at  the  time  of weaning  (Fig.  14A).  Furthermore, H&E  staining  of 

gonadal fat pad sections revealed that the size of adipocytes in adult CaMKK2‐null mice 

was much  larger  than WT  controls when  fed  standard  chow.  Interestingly,  consistent 

with  the  fact  that WT mice  had more  adiposity  on  low‐fat  or  high‐fat diet  (Fig.  9D), 

adipocyte size of WT mice on low‐fat diet significantly increased but there was no clear 

change  for  CaMKK2‐null mice. When  animals were  fed  high‐fat  diet,  adipocyte  size 

increased even more in WT mice and increase was considerably smaller in CaMKK2‐null 

mice  (Fig. 14B and 14C). We also  reanalyzed  the DEXA scans  from WT and CaMKK2‐

null mice  fed on 3 different diets  for  specific  regions corresponding  to  retroperitoneal 

and  epididymal  fat pads,  and  similar  changes were  found  (Fig.  15A  and  15B). These 

findings make  us wonder whether CaMKK2 may  play  a  role  in  the  development  of 

adiposity. 

 

4.3 Discussion

In  this  study, we demonstrated  that  reduction  of  appetite  cannot  entirely  explain  the 

protection  of  CaMKK2‐null mice  from  high‐fat  diet‐induced  obesity  and  diabetes.  In 

order to evaluate the importance of food intake reduction, we carried out a pair feeding 

experiment. WT mice which were restricted  to  the same amount of  food consumed by 

CaMKK2‐null mice still exhibited more adiposity accumulation, glucose intolerance and 

insulin resistance.  

Page 93: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

79 

We  also  tried  to  understand  this  phenotype  from  the  aspect  of  energy 

expenditure. We found larger BAT and stronger thermogenic capability in CaMKK2‐null 

mice  on  standard  chow,  which  matches  the  hypothesis  that  knockout  mice  have 

enhanced  BAT  activity  due  to  inhibited  AMPK/NPY/AgRP  signaling.  However, 

significantly more  adiposity was  also  discovered  in  these  knockout  animals. What  is 

more, when  fed  low‐fat or high‐fat diet, WT mice possessed equal or even more BAT 

compared  to  CaMKK2‐null  mice.  This  finding  together  with  the  fact  that  knockout 

animals  actually  produced  less  heat  on  high‐fat  diet  informed  us  that  resistance  of 

CaMKK2‐null mice  to high‐fat diet did not  result  from  enhanced  energy  expenditure. 

These facts also indicated that signaling which enhanced BAT activity on standard chow 

might be overcome by other means on high‐fat diet.  

Finally, similar to the adiposity change among the 3 different diets, CaMKK2‐null 

mice have more retroperitoneal and epididymal fat on standard diet but a considerably 

smaller  increase compared  to WT mice when switched  to  low‐fat or high‐fat diet. The 

sizes  of  adipocytes  from  gonadal  fat  pad  also  showed  a  similar  trend.  These  facts 

suggest CaMKK2 plays a role in development of adiposity, which will be studied in next 

chapter.  

 

 

 

Page 94: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

80 

5. CaMKK2 Inhibits Preadipocyte Differentiation  

5.1 Introduction

Obesity  can  arise  due  to  excessive  lipid  accumulation  in  adipocytes  resulting  in 

increased  cell  size  coupled  with  the  recruitment  of  adipocyte  progenitor  cells 

(preadipocytes) to white adipose tissue (WAT) that differentiate into additional mature 

adipocytes. WAT  is  not  only  an  energy  storage  depot  that  helps  to  maintain  lipid 

homeostasis  (Spiegelman  and  Flier,  2001),  but  also  functions  as  a dynamic  endocrine 

organ.  Adipocytes,  which  comprise  the  bulk  of  WAT  mass,  secrete  hormones 

(adipokines)  that  play  central  roles  in  regulating  energy  balance,  insulin  sensitivity, 

immunological  responses  and  vascular  disease  (Fruhbeck  et  al.,  2001).  Because 

adipocytes  play  such  a  critical  role,  elucidating  molecular  pathways  that  control 

adipocyte  differentiation  may  help  to  develop  strategies  for  the  prevention  and 

treatment of obesity and diabetes. 

Adipogenesis  is  regulated  by  calcium  signaling  pathways,  as  increases  of 

intracellular Ca2+ in preadipocytes during the early phase of differentiation could inhibit 

adipogenesis  (Ntambi  and Takova,  1996; Miller  et  al.,  1996;  Shi  et  al.,  2000)  as  could 

exposure  of  preadipocytes  to  high  levels  of  extracellular  Ca2+  (Jensen  et  al.,  2004). 

Although the mechanism by which Ca2+ represses adipogenesis is not fully understood, a 

logical one to explore is the CaM kinase cascade. In this cascade a rise in Ca2+ results in 

Page 95: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

81 

activation  of  CaM which,  in  turn,  activates  CaMKK2.  CaMKK2  then  phosphorylates 

downstream kinases including CaMKI, CaMKIV (Anderson et al., 1998; Haribabu et al., 

1995;  Tokumitsu  et  al.,  1994;  Lee  and  Edelman,  1994; Matsushita  and  Nairn,  1998; 

Edelman et al., 1996; Selbert et al., 1995) and AMPK (Hawley et al., 2005; Hurley et al., 

2005; Woods et al., 2005). Of these three CaMKK2 substrates AMPK seems to be the most 

relevant to adipogenesis for several reasons. First, it has been shown to inhibit fatty acid 

synthesis and  increase  fatty acid oxidation  in WAT  (Daval et al., 2006; Xue and Kahn, 

2006). Second, AICAR, an activator of AMPK,  inhibits adipogenesis  in 3T3L1 or F442A 

preadipocytes (Habinowski and Witters, 2001; Giri et al., 2006; Dagon et al., 2006). Third, 

Metformin, a drug  frequently used  to  treat  type 2‐diabetes,  inhibits  lipid accumulation 

in 3T3L1 cells via a pathway that involves activation of AMPK (Alexandre et al., 2008). 

Therefore,  since  the  mechanistic  details  of  how  Ca2+  and  AMPK  participate  in 

adipogenesis remain unresolved we questioned if CaMKK2 was involved. 

Our early studies on CaMKK2‐null mice resulted  in the unexpected finding that 

they  have more  adipose  tissue  than wild  type mice when  fed  standard  chow  (5001). 

Here we  show  that CaMKK2  is present  in preadipocytes but  significantly  reduced  in 

adipocytes. Deletion or  inhibition of CaMKK2  results  in enhanced adipogenesis when 

preadipocytes  are  exposed  to medium  that  initiates  their differentiation, but does not 

affect cell proliferation. We further show that the effects of CaMKK2 on adipogenesis are 

due to its ability to phosphorylate AMPK (rather than its other two substrates CaMKI or 

Page 96: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

82 

CaMKIV)  in preadipocytes. Finally,  in  tracing  the  adipogenic pathway backwards we 

show  that  loss  of  CaMKK2  or  AMPK  activity  decreases  Pref‐1  mRNA.  Our  results 

suggest  that a CaMKK2‐AMPK signaling pathway  functions  to maintain expression of 

Pref‐1 in preadipocytes, which functions to inhibit adipogenesis. 

 

5.2 Results

 

CaMKK2 is expressed in preadipocytes but barely detectable in WAT

Previously, CaMKK2 was mainly  known  to  be  abundantly  expressed  throughout  the 

brain  especially  in  the  hypothalamus  (Anderson  et  al.,  1998). We  wanted  to  know 

whether  CaMKK2  exists  in white  adipose  tissue  (WAT).  Immunoblot  of  gonadal  fat 

extracts could not detect CaMKK2 protein but reverse transcription PCR showed a weak 

signal  for  CaMKK2 mRNA  from whole WAT  sample  (Fig.  16A,  B). We  then  tested 

CaMKK2  expression  in  isolated  primary  preadipocytes.  Reverse  transcription  PCR 

showed  that mRNA  of CaMKK2  existed  in WT primary preadipocytes  and  a  smaller 

mRNA  form was also can be  found  in CaMKK2‐null primary preadipocytes  (Fig. 16C); 

which  is  consistent  with  exon  2  to  exon  4  truncation  in  CaMKK2‐null  mice.  Also 

immunoblot clearly showed that CaMKK2 protein existed in WT preadipocytes but not 

CaMKK2‐null  preadipocytes  (Fig  16D).  Several  cell  lines  are  able  to  differentiate  into 

adipocytes. We confirmed that CaMKK2 is also expressed in these preadipocytes. 

Page 97: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

83 

 

Figure 16: Expression of CaMKK2 in preadipocytes 

A and B. CaMKK2 expression is barely detectable in WAT by immunoblot or reverse‐transcription PCR. C and D. Reverse‐transcription PCR (C) and immunoblot (D) show expression of CaMKK2 in preadipocytes; brain samples work as controls.   

Page 98: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

84 

Reverse  transcription  PCR  again  showed  CaMKK2  mRNA  in  MEF,  3T3‐L1  and 

C3H10T1/2 cells  (Fig. 16C) and CaMKK2 protein can also be detected by western blot 

(Fig.  16D).  These  data  show  that  CaMKK2  is  expressed  in  preadipocytes  and  could 

therefore play a direct role. 

 

CaMKK2 expression decreases after adipogenesis.

The  fact  that CaMKK2  is expressed  in primary preadipocytes but barely detectable  in 

WAT suggested  to us  that CaMKK2 expression may decrease during adipogenesis. To 

address  this  we  used  real‐time  PCR  to  compare  CaMKK2  mRNA  before  and  after 

adipogenesis  with  aP2  as  a  diagnostic  marker  for  mature  adipocytes.  Primary 

preadipocytes had high amounts of CaMKK2 mRNA and protein but  little aP2 mRNA; 

however, this was reversed in mature adipocytes as aP2 mRNA greatly increased while 

CaMKK2  mRNA  and  protein  greatly  decreased  (Fig.  17A,  17B).  This  reciprocal 

relationship between CaMKK2 and aP2 was also observed  in three other cell  lines that 

can  be  induced  to differentiate  into  adipocytes  namely,  3T3L1, MEF,  and C3H10T1/2 

cells (Fig 17A, 17B). These data show that CaMKK2 is present in 4 types of preadipocytes 

but  mature  adipocytes  differentiated  from  these  cells  contain  markedly  decreased 

amounts  of CaMKK2 mRNA  and protein.   These data  suggested  to us  that CaMKK2 

might be inhibitory to adipogenesis.

Page 99: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

85 

 

Page 100: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

86 

Figure 17: CaMKK2 mRNA and protein expression decreases after adipogenesis 

A. CaMKK2 mRNA decreases after adipogenesis. Total mRNA was isolated from primary‐cultured preadipocytes, adipocytes and from undifferentiated (UD, day 0) or differentiated (FD, day 10) MEFs, 3T3L1 and C3H10T1/2 cells. CaMKK2 mRNA level was quantified by RT‐PCR (top panel). aP2 is included as a marker of adipogenesis (bottom panel). Data are presented as mean +/‐ SEM. n=3; *p<0.05.  B. CaMKK2 protein decreases after adipogenesis. Protein was extracted from primary‐cultured preadipocytes, adipocytes and from undifferentiated (UD, day 0) or differentiated (FD, day 10) MEFs, 3T3L1 and C3H10T1/2 cells. Samples were western blotted for panCaMKK. One representative blot (upper) and quantification (lower) of three independent experiments are shown. The amount of CaMKK2 protein in each type of preadipocyte is normalized to 1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 101: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

87 

CaMKK2 inhibits adipogenesis via phosphorylation of AMPK

As  aP2  is  a  late marker  of  adipogenesis we  questioned  if  depletion  or  inhibition  of 

CaMKK2 resulted in accelerated fat accumulation when preadipocytes were exposed to 

agents that stimulate adipogenesis. As shown in Fig 18A, MEFs from CaMKK2‐null mice 

formed more  triglyceride  (based on Oil Red O  staining)  containing  cells  than did WT 

MEFs.  Similarly,  the presence  of  the CaMKK2  selective  inhibitor  STO‐609  accelerated 

adipogenesis  of  3T3L1  and C3H10T1/2  cells  (Fig.  18 B,  18C). Finally,  the depletion  of 

CaMKK2  from 3T3L1  cells using a  shRNA  strategy  similarly accelerated adipogenesis 

(Fig 18D).  

These  data  support  our  contention  that  CaMKK2  functions  in  a  signaling 

pathway  that  prevents  differentiation  of  preadipocytes  in  several  cell  models  of 

adipogenesis.  However,  CaM  kinase  pathways  have  been  shown  to  support  cell 

proliferation (Kahl and Means, 2003). Since cells must exit from the proliferative cycle in 

order to differentiate we questioned if the absence of CaMKK2 altered the doubling time 

of preadipocytes isolated from CaMKK2‐null mice or MEFs in culture. We found that the 

absence of CaMKK2 did not alter cell cycle progression of preadipocytes or MEFs (Fig. 

19A,  19B) providing  additional  support  that CaMKK2 primarily  functioned  to  inhibit 

adipogenesis. 

CaMKK2 has been shown to have three direct substrates, CaMKI, CaMKIV and 

AMPK, so we next questioned which of these substrates may lie downstream of  

Page 102: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

88 

 

Page 103: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

89 

Figure 18: Loss of CaMKK2 activity enhances adipogenesis 

A. WT and CaMKK2‐null (KO) MEFs were induced to differentiate as outlined in the methods. After 10 days of differentiation, intracellular lipid was stained with Oil Red O (left). To quantify the amount of Oil Red O, the dye was eluted with isopropyl alcohol and its optical density was monitored spectrophotometrically at 520nm (right). B and C. Inhibition of CaMKK2 in 3T3L1 or C3H10T1/2 preadipocytes enhances adipogenesis. 3T3L1 or C3H10T1/2 preadipocytes were induced to differentiate in the presence of vehicle or 2μM STO‐609. Amount of adipogenesis was determined by Oil Red O staining (left) which was quantified as in (A) shown on the right. D. Deletion of CaMKK2 in 3T3L1 preadipocytes enhances adipogenesis. 3T3L1 preadipocytes were infected with control or one of two different shRNA viruses against CaMKK2 (3143, 3145). The efficiency of CaMKK2 knockdown was determined by western blot. Cells were induced to differentiate and analyzed as in A. Quantification of Oil Red O is presented as mean +/‐ SEM, *p<0.05. Data shown are representative of at least 3 independent experiments; and each was done in triplicate.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 104: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

90 

CaMKK2 in the signaling pathway that prevents adipogenesis. Since we had previously 

generated  mice  null  for  CaMKIV  we  compared  CaMKIV‐null  MEFs  with  WT  and 

CaMKK2‐null MEFs in the triglyceride accumulation assay. The absence of CaMKIV did 

not  accelerate  adipogenesis  (Fig.  20A).  CaMKI  is  essential  for  cell  proliferation  and 

functions predominantly in G1 of the cell cycle (Kahl and Means, 2003; Kahl and Means, 

2004). Since  the absence of CaMKK2 did not  slow cell proliferation, we  surmised  that 

CaMKI was not  likely to be the relevant substrate supporting that anti‐adipogenic role 

for CaMKK2. To confirm  this  idea we cultured 3T3L1 cells with KN‐93 which  inhibits 

CaMKI  and CaMKIV with  similar  potency  (Tokumitsu  et  al.,  1990;  Sumi  et  al.,  1991; 

Enslen et al., 1994; Mochizuki et al., 1993). As KN‐93 did not accelerate adipogenesis (Fig. 

20B) we reasoned that neither CaMKI nor CaMKIV was the relevant target of CaMKK2. 

To  test  the  third  substrate, AMPK, we cultured 3T3L1 cells  from which CaMKK2 had 

been depleted by  shRNA  and CaMKK2‐null MEFs with  the AMPK  activator, AICAR. 

AICAR  inhibited  the  ability  of  CaMKK2‐depleted  cells  to  support  adipogenesis  in  a 

dose‐dependent manner suggesting that activation of AMPK was negatively correlated 

with  adipogenesis  and  could  be  the  relevant  substrate  by  which  CaMKK2  inhibits 

adipogenesis (Fig. 20C and 20D). 

We  wanted  to  confirm  that  CaMKK2  is  a  functional  AMPK  kinase  in 

preadipocytes. As has been shown in the hypothalamus (Anderson et al., 2008; Thornton 

et al., 2008), western blots of primary preadipocyte extracts showed that basal AMPK 

Page 105: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

91 

 

 

Figure 19: CaMKK2‐null MEFs and preadipocytes exhibit no growth defect 

A. WT or CaMKK2‐null MEFs (KO) were plated at the same concentration in 6 well plates. At indicated time points, cells were detached by trypsin treatment and cell numbers were determined using a particle counter. There was no significant difference in proliferation between WT and KO MEFs. n=3. B. Isolated WT or CaMKK2‐null preadipocytes (KO) were allowed to grow in culture for 4 days. Preadipocytes were then detached by trypsin and plated at the same concentration in 6 well plates. At the indicated time points, cells were detached by trypsin treatment and cell number determined using a particle counter. There was no significant difference in proliferation between WT and KO preadipocytes. n=4. 

Page 106: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

92 

 

Page 107: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

93 

Figure 20: CaMKK2 works through AMPK to inhibit adipogenesis 

A. WT, CaMKIV null and CaMKK2‐null MEFs were induced to differentiate. Loss of CaMKIV did not alter adipogenesis in MEFs as determined by Oil Red O staining.  B. 3T3L1 preadipocytes were induced to differentiate in the presence of vehicle or 5μM KN‐93; adipogenesis was not affected as determined by Oil Red O staining.  C. 3T3L1 preadipocytes infected with CaMKK2 shRNA (3145) were induced to differentiate in the presence of 0, 0.25 or 0.5mM AICAR. Adipogenesis was inhibited by AICAR as determined by Oil Red O staining. *p<0.05 as compared to 0mM AICAR. D. CaMKK2‐null MEFs (KO) were induced to differentiate in the presence of 0, 0.25 or 0.5mM AICAR. Adipogenesis was inhibited by AICAR as determined by Oil Red O staining. *p<0.05 as compared to 0mM AICAR.  Quantification of Oil Red O is presented as mean +/‐ SEM. Data shown are representative of 3 independent experiments; and each was done in triplicate.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 108: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

94 

phosphorylation was markedly decreased in the absence of CaMKK2 (Fig. 21A). In WT 

MEFs, ionomycin, which increases intracellular Ca2+ leading to CaMKK2 activation, up‐

regulated AMPK phosphorylation, and  its effect was blocked by preincubation of cells 

with  the CaMKK2  inhibitor,  STO‐609; On  the  other  hand,  not  only was  basal AMPK 

phosphorylation reduced  in CaMKK2‐null MEFs, but  it  failed  to respond  to  ionomycin 

or STO‐609 (Fig. 21B). Additionally, deletion of CaMKK2 from 3T3L1 preadipocytes by 

shRNA resulted in a large decrease in basal AMPK phosphorylation (Fig. 21C). As found 

with WT MEFs,  treatment  of  normal  3T3L1  preadipocytes with  ionomycin  increased 

AMPK phosphorylation and was blocked by STO‐609  (Fig. 21D).  Ionomycin and STO‐

609 had similar effects in normal C3H10T1/2 preadipocytes to those in MEFs (Fig. 21E). 

We  conclude  from  these data  that CaMKK2  functions  as  an AMPK  kinase  in  several 

types of preadipocytes. 

 

Loss of CaMKK2 activity increases mRNA of adipogenic transcription factors and markers

The temporal sequence of transcriptional events that lead to adipogenesis is well known. 

In  response  to  agents  that  stimulate  adipogenesis  a  sequence  of  events  occur  as 

summarized  in Fig. 24D. Early  in  the process C/EBPβ and C/EBPδ are  transcriptionally 

induced  and,  in  turn,  these  transcriptional  activators  trigger  transcription  from  the 

PPARγ and C/EBPα genes. PPARγ and C/EBPα then  induce transcription of genes that 

are required in adipocytes such as aP2, Fas and Glut4. In order to determine whether 

Page 109: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

95 

 

Page 110: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

96 

Figure 21: CaMKK2 phosphorylates AMPK in preadipocytes 

A. Basal AMPK phosphorylation is down‐regulated in CaMKK2‐null preadipocytes. Protein extract from WT and CaMKK2‐null primary cultured preadipocytes were immunoblotted for T172 phosphorylated AMPK (pAMPK) and total AMPK. *p<0.05 compared to WT. B. WT and CaMKK2‐null MEFs were incubated for 1hr with vehicle or 2μM STO‐609, followed by stimulation with 1μM ionomycin for 5min. Cell extracts were immunoblotted for pAMPK and total AMPK. Ionomycin increased AMPK phosphorylation and was blocked by STO‐609 in WT but not CaMKK2‐null MEFs. *p<0.05 compared to control WT MEF. C. CaMKK2 was knocked down by shRNA in 3T3L1 preadipocytes. Basal AMPK phosphorylation was down‐regulated in CaMKK2‐null cells. *p<0.05 compared to control 3T3L1 preadipocytes. D and E. Ionomycin increased AMPK phosphorylation and was blocked by STO‐609 in 3T3L1 or C3H10T1/2 preadipocytes. *p<0.05 compared to control.  For A‐E, one representative blot and quantification of 3 independent experiments are shown. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 111: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

97 

CaMKK2 acts at any of these steps that lead from preadipocyte to adipocyte, we utilized 

real‐time PCR to quantify the various adipogenic gene transcripts shown in Fig. 24D in 

wild type and CaMKK2‐null MEFs after exposure to adipogenic stimulation. We found 

that adipocytes derived from CaMKK2‐null MEFs express much more mRNA encoding 

all 7 adipogenic genes than adipocytes derived from WT MEFs (Fig. 22A). This was also 

true for 3T3L1 adipocytes derived from cells treated with CaMKK2 shRNA or cultured 

in  STO‐609  relative  to  those  cells  subjected  to  a  nonsense  shRNA  or  cultured  in  the 

absence of the inhibitor, respectively (Fig. 22B and 22C). The presence of STO‐609 during 

adipogenic stimulation of C3H10T1/2 cells also resulted in enhanced expression of all 7 

adipogenic  mRNAs  examined  (Fig.  22D).  These  results  suggest  that  CaMKK2 must 

function  very  early  in  adipogenesis  or  in  a  pathway  that  inhibits  adipogenesis  in 

preadipocytes. 

 

CaMKK2 and AMPK maintain Pref-1 signaling

Pref‐1  is  expressed  in  preadipocytes  where  it  inhibits  adipogenesis  by  regulating  a 

signaling  pathway  that  leads  to  the  phosphorylation  and  activation  of  ERK  and 

subsequently  to  the  transcriptional  upregulation  of  Sox9,  which  functions  to 

transcriptionally repress the C/EBPβ and C/EBPδ genes (Smas and Sul, 1996; Wang et al., 

2006; Kim et al., 2007; Wang and Sul, 2009). To examine  if CaMKK2 might  function  in 

the Pref‐1 signaling pathway we quantified Pref‐1 and Sox9 mRNAs in primary 

Page 112: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

98 

 

Page 113: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

99 

Figure 22: Loss of CaMKK2 activity increases adipogenic gene transcripts during adipogenesis 

 A. mRNA levels of C/EBPβ, C/EBPδ, PPARγ, C/EBPα, aP2, Fas and Glut4 are increased in CaMKK2‐null MEF adipocytes compared to WT. Total RNA was isolated from WT or CaMKK2‐null MEFs after adipogenesis. mRNA levels of adipogenic genes were determined by RT‐PCR.  B. 3T3L1 preadipocytes infected with control or CaMKK2 shRNA were induced to differentiate and total RNA was isolated after adipogenesis. RT‐PCR indicated mRNA levels of PPARγ, C/EBPα, aP2, Fas and Glut4 are increased in 3T3L1 adipocytes with CaMKK2 knocked down. C and D. mRNA levels of C/EBPβ, C/EBPδ, PPARγ, C/EBPα, aP2, Fas and Glut4 are increased in 3T3L1 or C3H10T1/2 adipocytes treated with 2μM STO‐609 during differentiation. For A‐D, data are presented as mean +/‐ SEM; *p<0.05. Data shown are representative of 3 independent experiments; and each was done in triplicate. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 114: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

100 

preadipocytes and MEFs from WT and CaMKK2‐null mice. These data revealed that the 

absence  of  CaMKK2  resulted  in  considerably  reduced  amounts  of  Pref‐1  and  Sox9 

mRNAs  in  both  cell  types  (Fig.  23A  and  23B). We  also used  immunoblot  analysis  to 

quantify the phosphorylation of ERK1/2 in MEFs prepared from WT mice compared to 

MEFs isolated from mice heterozygous (Het) or null (KO) for CaMKK2.  As shown in Fig. 

23C, ERK phosphorylation was decreased  in both Het and KO cells relative  to WT. To 

confirm  that CaMKK2 plays a  role  in  regulating  the Pref‐1 pathway, we  cultured WT 

MEFs in the presence of STO‐609 and found that the CaMKK2 inhibitor also reduced the 

amount of Pref‐1 and Sox9 mRNAs  (Fig. 23D). To determine  if reduction of Pref‐1 and 

Sox9 resulted from acute depletion of CaMKK2, we examined the effect of cre‐mediated 

deletion of CaMKK2  in MEFs  isolated  from CaMKK2‐loxP mice and  found  indeed  that 

both mRNAs were reduced (Fig. 23E). Finally, shRNA‐mediated depletion of CaMKK2 

from 3T3L1 cells also markedly  reduced Pref‐1 and Sox9 mRNAs  (Fig. 23F). Therefore, 

CaMKK2  is  important  for maintaining  the  level of Pref‐1 and  consequently  the Pref‐1 

signaling pathway in multiple preadipocyte cell types.  

We  have  presented  evidence  that  AMPK  serves  as  the  primary  CaMKK2 

substrate  to regulate  the pathway by which CaMKK2  inhibits adipogenesis  (Fig. 21). It 

has  been  reported  that AICAR,  a  compound which  can  activate AMPK,  also  reduces 

adipogenic  gene  transcripts  and  restores  Pref‐1 mRNA  during  the  differentiation  of 

3T3L1 cells (Giri et al., 2006). Thus, we questioned whether AMPK was involved in  

Page 115: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

101 

 

Page 116: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

102 

Figure 23: CaMKK2 maintains Pref‐1 mRNA 

A and B. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels are decreased in CaMKK2‐null primary preadipocytes and MEFs. Total RNA was isolated from WT and CaMKK2‐null (KO) primary preadipocytes or MEFs; Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were quantified by RT‐PCR. C. Protein extracts from WT, CaMKK2‐/+ and CaMKK2‐null MEFs were immunoblotted for phosphorylated ERK (pERK) and total ERK (left). Phosphorylation of ERK is reduced in CaMKK2‐null MEFs as shown in quantification of blot (right). Each lane represents MEFs derived from an individual embryo. D. Total RNA was isolated from WT MEFs incubated with vehicle or 2μM STO‐609 for 2hr. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were determined by RT‐PCR. E. MEFs from CaMKK2 loxP mice were infected with Ad‐CMV‐GFP or Ad‐Cre‐IRES‐GFP viruses. Cells were harvested 6 days after infection. Protein extract was immunoblotted for CaMKK2 and pAMPK (left). Ad‐Cre‐IRES‐GFP virus effectively depleted CaMKK2 and decreased AMPK phosphorylation. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were reduced as determined by RT‐PCR (right). F. Total RNA was extracted from 3T3L1 preadipocytes infected with control or CaMKK2 shRNA. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were decreased in shRNA infected cells compared to control, as determined by RT‐PCR. Data are presented as mean +/‐ SEM. Data shown in A, B, D, E and F are representative of at least 2 independent experiments, and each was done in triplicate.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 117: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

103 

regulating Pref‐1 in MEFs. Knocking down the AMPKα subunits by siRNA decreased 

Pref‐1 and Sox9 mRNA in WT MEFs (Fig. 24A). Furthermore, Compound C, an inhibitor 

of AMPK, reduced Pref‐1 and Sox9 mRNA in WT MEFs (Fig. 24B), but treatment with 

KN‐93, a compound that inhibits both CaMKI and CaMKIV did not (data not shown). 

Finally, AICAR, an activator of AMPK, increased Pref‐1 and Sox9 mRNA in CaMKK2‐

null MEFs (Fig. 24C). These data reveal that CaMKK2 functions in preadipocytes to 

activate AMPK which results in up‐regulation of Pref‐1 mRNA leading to maintenance 

of the Pref‐1 signaling pathway and therefore inhibition of adipogenesis (Fig. 24D). 

 

5.3 Discussion

CaMKK2‐null mice have been utilized to demonstrate a number of roles for this protein 

kinase  in  the  brain  (Anderson  et  al.,  2008; Kokubo  et  al.,  2009; Thornton  et  al.,  2011; 

Antunes‐Martins et al., 2007). However, these mice have not been employed to identify 

cell autonomous effects of CaMKK2  in peripheral cells. Here we show CaMKK2  to be 

expressed in preadipocytes and that germ line depletion of this gene results in increased 

mass of WAT coupled with an elevated adipocyte numbers and a decreased number of 

preadipocytes that can be  isolated from WAT (Fig. 25) when mice are fed standard  lab 

chow  (5001). When  exposed  to  adipogenic  stimuli  primary  preadipocytes  (in vivo)  or 

MEFs  (in  culture)  from  CaMKK2‐null mice  differentiate  into  adipocytes  to  a  greater 

extent than do cells isolated from WT mice, and the increase in molecular markers of the  

Page 118: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

104 

 

Page 119: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

105 

Figure 24: AMPK maintains Pref‐1 mRNA 

A. WT MEFs were transfected with control or AMPKα siRNA. Protein and total RNA were extracted 4 days after transfection. Both phosphorylated AMPK and total AMPK were effectively decreased, as determined by immunoblot (left). Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were decreased, as determined by RT‐PCR (right). *p<0.05. Data shown are from one experiment that is representative of 3 independent experiments which were each done in triplicate. B. Total RNA was extracted from 3T3L1 preadipocytes incubated with vehicle or 2μM Compound C (Calbiochem) for 1hr. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were decreased after Compound C treatment as determined by RT‐PCR. *p<0.05. Data shown are from one experiment that is representative of 3 independent experiments which were each done in triplicate. C. Total RNA was extracted from CaMKK2‐null MEFs treated with vehicle or 0.25mM AICAR for 1hr. Pref‐1 and Sox9 mRNA levels were increased in AICAR treated MEFs as determined by RT‐PCR. *p<0.05, n=6. Data shown are from one experiment that is representative of 2 independent experiments. D. CaMKK2 inhibits adipogenesis by maintaining Pref‐1 mRNA via AMPK. In response to increased intracellular Ca2+ concentration, CaMKK2 phosphorylates and activates AMPK. CaMKK2 and AMPK maintain mRNA level of Pref‐1 through an unknown mechanism. Pref‐1 stimulates phosphorylation and activation of ERK1/2, which maintains expression of Sox9. Sox9 inhibits transcription of the early adipogenic transcription factors C/EBPβ and C/EBPδ, which reduces expression of PPARγ and C/EBPα and, in turn, adipocyte‐specific genes such as aP2, Glut4 and Fas.  

 

 

 

 

 

 

Page 120: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

106 

mature  fat cell  is  inversely correlated with  the disappearance of CaMKK2. That  this  is 

cell  autonomous  rather  than mediated  via  the  nervous  system  or  developmentally  is 

revealed  by  the  fact  that  virtually  identical  changes  result when CaMKK2  activity  is 

acutely  depressed  by  pharmacological  inhibition  or  shRNA‐mediated  knock‐down  in 

3T3L1 and CH310T1/2 cells. We demonstrate  that  the  inhibitory effect of CaMKK2 on 

adipogenesis  is due  to a  role of CaMKK2 and  its  substrate AMPK  in maintaining  the 

level of Pref‐1 mRNA. The Pref‐1 protein functions via the activation of MAP kinase to 

enhance  the  amount  of  SOX9  which,  in  turn,  acts  as  a  transcriptional  repressor  to 

prevent the expression of C/EBPβ and C/EBPδ, two early genes that positively regulate 

the differentiation of preadipocytes to adipocytes (Smas and Sul, 1996; Wang et al., 2006; 

Kim et al., 2007; Wang and Sul, 2009). Thus,  in response  to  initiating a series of events 

that  lead  to  adipocyte  formation  and  fat  production  by  these  cells,  adipogenic 

stimulation  also  results, by  a yet  to be discovered mechanism,  in down‐regulation  of 

CaMKK2 mRNA  and  protein.  In  this  context,  CaMKK2  and  AMPK  participate  in  a 

signaling pathway to maintain the preadipocyte rather than to stimulate the production 

of mature adipocytes from these progenitor cells (Fig. 24D).  

We  have  previously  reported  that  CaMKK2‐null  mice  accumulate  less  body 

weight when fed a high fat diet which is due to reduced expansion of WAT (Anderson 

et al., 2008). As shown in Fig. 14 of chapter 4, the average size of mature adipocytes is  

Page 121: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

107 

 

Figure 25: CaMKK2‐null mice have fewer preadipocytes and more adipocytes in gonadal WAT. 

 A. Gonadal fat pads of equal weight were isolated from WT or CaMKK2‐null mice and digested with collagenase. Adipocytes were allowed to float by gravity. After centrifugation, pelleted preadipocytes were resuspended and allowed to attach and proliferate for 4 days. Red blood cells and other debris were removed by refreshing media. Compared to WT, CaMKK2‐null mice yielded fewer preadipocytes. B. Preadipocytes shown in A were detached by trypsin and quantified using a particle counter. n=4, *p<0.05. C. Adipocyte number in gonadal fat pads was analyzed as described in method. CaMKK2‐null mice have more adipocytes compared to WT mice. Shown are mean+/‐SEM. n=5, *p<0.01. 

Page 122: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

108 

greater in WAT isolated from CaMKK2‐null mice than it is in WT mice fed standard lab 

chow (5001). In the study by Anderson et al (Anderson et al., 2008) the pregnant females 

were also maintained on  standard  lab  chow and  remained on  this diet while nursing 

their pups. At the time of weaning the pups were placed on solid food for the first time 

and  fed either a high‐fat diet or  its “control”  low‐fat diet for 30 weeks. We carried out 

histology  of  the WAT  and  found  that  the  size  of  adipocytes  of WT mice  increased 

markedly  between  standard  chow  and  low‐fat  diets  and  increased  again,  in  a 

statistically significant manner, between WT mice fed low‐fat and high fat diet (Fig. 14). 

However,  although  adipocyte  size was greater  in WAT  from CaMKK2‐null mice  than 

WT mice fed standard chow, there was no  increase  in adipocyte size  in WAT from the 

CaMKK2‐null mice  between  standard  chow  and  low‐fat  diets  and  only  a  very  small 

increase  in  size between  low‐fat and high  fat diet. These data are  consistent with our 

data showing depletion of preadipocytes  in CaMKK2‐null mice fed standard chow and 

suggest  that  preadipocyte  depletion  is  likely  an  important  factor  contributing  to  the 

resistance to diet‐induced obesity exhibited by the CaMKK2‐null mice. It is possible that 

diet‐induced fat accumulation is also reduced in CaMKK2‐null mature adipocytes but, if 

that occurs, it is due to a different and yet to be explored mechanism. 

It came as a considerable surprise to us that preadipocytes were depleted in mice 

with  a  germ  line deletion  of  the CaMKK2  gene  as CaMKK2  had  not previously  been 

shown  to be expressed  in  these  cells. Our novel data  reveal  that AMPK  serves as  the 

Page 123: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

109 

primary  CaMKK2  substrate  in  the  signaling  pathway  by which  CaMKK2  delays  (or 

prevents) adipogenesis and that a relevant consequence of this pathway is regulation of 

Pref‐1  mRNA.  Intriguingly,  forced  expression  of  Pref‐1  in  3T3L1  cells  makes  them 

resistant to differentiation (Smas and Sul, 1996; Kim et al., 2007) and reduced expression 

of Pref‐1 is required for differentiation of these cells into adipocytes. The same is true for 

forced expression or  inhibition of CaMKK2 or AMPK  in 3T3L1 cells. This sequence of 

events suggests that the down‐regulation of CaMKK2 in response to adipogenic stimuli 

may  be  an  even  earlier  event  than  a  reduction  in  Pref‐1  and  be  required  to  down‐

regulate  Pref‐1  mRNA.  Regulation  of  Pref‐1  transcription  is  poorly  understood  but 

studies  have  reported  that  HIF1α,  HIF2α  and  Foxa‐2  promote  Pref‐1  transcription 

whereas Smad1/4 and Hes‐1 inhibit it (Kim et al., 2009; Ross et al., 2004; Wolfrum et al., 

2003; Zhang et al., 2010). This information may help to inform future efforts designed to 

identify  the  primary  AMPK  target  in  the  CaMKK2‐mediated  pathway  that  inhibits 

adipogenesis.  Elucidating  the  relevant  stimuli  and  resultant  signaling  events  both 

upstream  and  downstream  of  CaMKK2/AMPK  may  lead  to  a  more  complete 

understanding  of  how  adipogenesis  is  gated  physiologically.  It  would  also  support 

CaMKK2 as a novel and potentially attractive target to develop therapeutics to combat 

diet‐induced obesity. 

 

 

Page 124: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

110 

6. Future Directions  

CaMKK2‐AMPK pathway in hypothalamus 

As we  already  showed  in  chapter  3,  loss  of CaMKK2  in  the hypothalamus  results  in 

decreased  AMPK  activity,  which  leads  to  reduced  NPY  and  AgRP  production. We 

hypothesized  that CaMKK2  functioned downstream of ghrelin and provided evidence 

that  CaMKK2‐null mice  did  not  respond  to  i.p.  injection  of  ghrelin. However, more 

experiments need to be done to prove the relationship between ghrelin and CaMKK2. If 

CaMKK2  indeed  is  activated  by  increased  intracellular  Ca2+  triggered  by  GHSR, 

CaMKK2  in  WT  hypothalamus  is  expected  to  elevate  AMPK  phosphorylation  and 

activity  after  ghrelin  i.c.v.  administration. And  this  activation  should  be  inhibited  by 

pre‐administration of CaMKK2  selective  inhibitor STO‐609. A  similar  result would be 

expected in CaMKK2‐null mice; that is, i.c.v. injection of ghrelin in mutant mice should 

fail  to activate AMPK and downstream NPY and AgRP expression. N38 cells or other 

neuronal cells derived  from hypothalamus with GHSR would be good  in vitro models. 

Ghrelin treatment of these cells should result  in  increased AMPK activity and elevated 

NPY and AgRP expression. STO‐609 and/or small  interfering RNA against CaMKK2  is 

expected to blunt the effect of ghrelin.     

On  the  other  hand,  it  would  be  interesting  to  know  whether  decreased 

hypothalamic AMPK activity in CaMKK2‐null mice enhances leptin activity. It has been 

Page 125: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

111 

shown  that  leptin  inhibits  AMPK  activity  in  hypothalamus  and  down‐regulation  of 

AMPK  activity  is  necessary  for  its  anorexigenic  effect  because  expression  of  a 

constitutively  active  form  of  AMPK  significantly  blocks  leptin  function.  Therefore,  I 

would  like  to  compare  the  responses  to  leptin  i.c.v.  administration  between WT  and 

CaMKK2‐null mice. For example,  the  food  intake can be measured  in WT and mutant 

mice after leptin injection. Besides, mTOR has been shown to be an important regulator 

downstream of  leptin  (Cota et al., 2006). Activation of mTOR signaling decreases  food 

intake and body weight, and  inhibition of mTOR signaling blocks  leptin’s effect.  Inoki 

and colleagues have shown that AMPK can phosphorylate TSC2 and enhance its activity, 

which leads to the inhibition of mTOR (Inoki et al., 2003). As predicted from this report, 

loss of CaMKK2 will impair the phosphorylation of TSC2 by AMPK and mTOR activity 

would not be inhibited by TSC2, which will result in decreased food intake. In order to 

test  whether  activation  of  mTOR  signaling  contributes  to  decreased  food  intake  in 

CaMKK2‐null mice, phosphorylation of TSC2, S6K and S6 would be examined in fasted 

WT  and  mutant  mice.  CaMKK2‐null  mice  are  expected  to  have  decreased  TSC2 

phosphorylation  but  increased  S6K  and  S6  phosphorylation.  If  so,  rapamycin,  the 

inhibitor of mTOR can be  i.c.v. administered  to WT mice along with STO‐609, and we 

should expect rapamycin can reverse the anorexigenic effect of STO‐609.  

 

 

Page 126: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

112 

High‐fat diet feeding 

We also observed an intriguing phenotype when mice were fed a high‐fat diet. CaMKK2‐

null  mice  consumed  less  food,  accumulated  less  adiposity  and  maintained  glucose 

tolerance  and  insulin  sensitivity  compared  to WT  control  animals. Decreased  feeding 

partially explained the resistance to high‐fat diet. But as shown in chapter 4, it is not the 

only  reason  benefitting CaMKK2‐null mice. Although CaMKK2 was  shown  to mainly 

exist in brain, its expression was gradually discovered in some peripheral tissues. In this 

study, all the CaMKK2‐null mice used were global knockout mice. It is really hard to rule 

out the possible contributions from peripheral tissues. For example, we know that before 

high‐fat diet  feeding, mutant mice have higher  serum  leptin which may  contribute  to 

negative regulation of energy balance. Also our  lab has shown that  islets  isolated from 

knockout mice secret more insulin when stimulated with high concentration of glucose. 

Later  on, members  of  our  lab  confirmed  that CaMKK2  is  expressed  in  β  cells, which 

implicates CaMKK2  in pancreas  function.  In order  to understand more specifically  the 

function of CaMKK2  in NPY/AgRP neurons, neuron specific knockout mice should be 

generated. Actually, this project is currently underway in our lab. We are trying to cross 

CaMKK2 loxP mice with mice possessing CRE gene controlled by the promoter of AgRP, 

which  is mainly expressed  in NPY/AgRP neurons. With  this  type of knockout mouse, 

we would be able to perform the high‐fat diet feeding experiment again and determine 

the specific contribution of CaMKK2 in NPY neurons to the resistance to high‐fat diet. In 

Page 127: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

113 

case the neuron‐specific knockout mice have developed similar compensation to that of 

global knockout mice, we  could  also bypass  this  issue by performing  tamoxifen  i.c.v. 

administration in CaMKK2 loxP mice. 

In  the  high‐fat  diet  pair  feeding  experiment,  CaMKK2‐null  mice  consumed 

similar amounts of food and water as WT animal controls but they still gained less body 

weight and adiposity. By comparing  the heat production, we  found mutant mice even 

had  lower energy consumption. Therefore, CaMKK2‐null mice had same energy  intake 

but lower energy storage and expenditure. We may wonder where the extra energy goes. 

The  primary  test would  be  collecting  urine  and  feces  of WT  and CaMKK2‐null mice 

during high‐fat diet pair  feeding and analyzing  their nutrient composition. This result 

should tell us whether mutant mice could not absorb nutrients as well as WT controls or 

if they just lost nutrients in urine.   

 

CaMKK2‐AMPK pathway in adipogenesis 

Increased  intracellular Ca2+  concentration  has  been  shown  to  inhibit  adipogenesis  by 

blocking DNA synthesis and clonal expansion (Ntambi and Takova, 1996). Activation of 

AMPK  by AICAR  during  adipogenesis  also  inhibited  clonal  expansion  (Habinowskit 

and Witters,  2001; Giri  et  al.,  2006). Although CaMKK2‐null MEFs  and preadipocytes 

displayed  no  defect  in  growth, more  adipocytes were  observed  during  adipogenesis 

when CaMKK2 activity was depressed. Therefore, it is reasonable to speculate that loss 

Page 128: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

114 

of CaMKK2 activity may also affect clonal expansion, which could be an additional way 

in which CaMKK2  controls adipogenesis.  In order  to examine  this, WT and CaMKK2‐

null MEFs would be induced to differentiate in MDI media for 2 day. After 2 days, DNA 

content  and  cell  number  would  be  determined.  Besides,  DNA  replication  can  be 

measured by the rate of 3H incorporation. If clonal expansion is inhibited by CaMKK2 as 

predicted, CaMKK2‐null MEFs are expected to have more DNA content and cells as well 

as higher  3H  incorporation  rate during  two days’ differentiation. STO‐609 and shRNA 

against CaMKK2 would also be used  to confirm  the effect  is  indeed a result of  loss of 

CaMKK2 activity. In order to know whether CaMKK2 works via AMPK, I would check 

whether AICAR treatment inhibits clonal expansion in CaMKK2‐null MEFs.  

As I presented in chapter 5, AMPK mediates the inhibitory effect of CaMKK2 on 

adipogenesis.  However,  the  direct  downstream  target  of  AMPK  was  not  identified 

during this study. As we mentioned before, AMPK can phosphorylate and activate TSC2 

so as  to  inhibit mTOR activity. The  important  role of mTOR  in adipogenesis has been 

well  established  by  using  its  inhibitor,  rapamycin.  It  has  been  demonstrated  that 

rapamycin  treatment  strongly  inhibits  preadipocyte  differentiation  and  thus 

maintenance of adipocytes  (Kim and Chen, 2004). Therefore, decreased AMPK activity 

caused by depletion or inhibition of CaMKK2 in preadipocytes may result in increased 

mTOR  activity, which  is  required  for  further  adipogenesis. However,  the  relationship 

between AMPK and mTOR has not been studied  in preadipocytes. In order to confirm 

Page 129: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

115 

this  interaction,  I would  examine  the mTOR  signaling  in  both WT  and CaMKK2‐null 

MEFs.  Phosphorylation  of  S6K  and  TSC2  would  be  immunoblotted  and  increased 

phosphorylation  on  S6K  as  well  as  decreased  phosphorylation  on  TSC2  would  be 

expected in CaMKK2‐null MEFs. Then I would inhibit or knock down CaMKK2 by either 

STO‐609  or  shRNA  in  3T3‐L1  preadipocytes  and  check  S6K  or  S6  phosphorylation. 

Overexpression  of CaMKK2  in preadipocytes  is  expected  to  inhibit mTOR  activity.  If 

mTOR  is  indeed  regulated  by  CaMKK2‐AMPK  pathway  in  preadipocytes,  I  would 

knock down TSC2  in  3T3‐L1  cells  and  try  to differentiate  these  cells with  or without 

STO‐609. The ability of STO‐609  to enhance adipogenesis should be blocked or greatly 

inhibited in TSC2 knockout cells because STO‐609 would not be able to increase mTOR 

activity in these cells. At the same time, we would expect that AICAR could not inhibit 

adipogenesis in these cells either.  

In this study, I also demonstrated that the CaMKK2‐AMPK pathway functions to 

maintain Pref‐1 mRNA  level  in preadipocytes. The  link between AMPK  and Pref‐1  is 

missing. The regulation of Pref‐1 transcription is not clearly defined. So far, people have 

suggested that HIF1α, HIF2α and Foxa2 activate its transcription, whereas Smad1/4 and 

Hes1  inhibit  it. Among  these  transcription  factors, HIF1α  is considered  the most  likely 

candidate  downstream  of  AMPK.  Under  normoxia,  HIF1α  is  rapidly  degraded  by 

ubiquitination and proteasome pathways. Under hypoxia or treatment of deferoxamine, 

a hypoxia‐mimicking compound, HIF1α  is stabilized and enhances Pref‐1 transcription 

Page 130: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

116 

(Kim  et  al.,  2009).  It  has  been  reported  that  AMPK  activity  is  important  for  the 

expression, stabilization and transcriptional activity of HIF1α (Hwang et al., 2004; Jeong 

et al., 2011; Lee et al., 2003). Therefore, I would check whether HIF1α can stimulate Pref‐

1 expression in preadipocytes. WT MEFs or 3T3‐L1 preadipocytes would be treated with 

normoxia,  hypoxia  (1%O2)  or  deferoxamine.  HIF1α  level  would  be  determined  by 

immunoblot and Pref‐1 mRNA would be examined by RT‐PCR. One well‐known HIF1α 

target gene, vascular endothelial growth  factor, could be used as a positive control.  If 

HIF1α  indeed  enhances  Pref‐1  transcription  in  preadipocytes,  the  amount  of HIF1α 

protein in WT and CaMKK2‐null MEFs would be compared. It will be also interesting to 

know whether AICAR  treatment  in CaMKK2‐null MEFs  elevates HIF1α protein  level. 

Also  I would  check whether  overexpression  of HIF1α  in CaMKK2‐null MEFs  rescues 

Pref‐1 mRNA level and inhibits adipogenesis.  

 

CaMKK2‐AMPK pathway in multipotent mesenchymal cells 

As  I  showed  in  chapter  5,  the  CaMKK2‐AMPK  pathway maintains  Pref‐1  and  Sox9 

mRNA  levels  in preadipocytes. Pref‐1 and Sox9 are also  important  in determining  the 

fate  of  multipotent  mesenchymal  cells  (Wang  and  Sul,  2009).  Pref‐1  can  direct 

mesenchymal cells into chondrogenic induction; however Pref‐1 prevents maturation of 

chondrocyte,  adipogenesis  and  osteogenesis.  Since  CaMKK2‐null  MEFs  have  been 

shown to have  less Pref‐1 and Sox9 mRNA,  it  is reasonable to predict that osteogenesis 

Page 131: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

117 

will be  enhanced  in CaMKK2‐null MEFs.  In order  to  examine  the  role of CaMKK2  in 

osteogenesis, the simplest experiment is to induce osteogenesis in WT and mutant MEFs 

by adding β‐glycerophosphate, ascorbic acid and BMP2 for 21 days. After the induction, 

osteogenesis  would  be  evaluated  by  Von  Kossa  staining  and  alkaline  phosphatase 

(ALPase) activity assay  in both  types of MEFs.  I would expect CaMKK2‐null MEFs  to 

display  stronger  Von  Kossa  staining  and  ALPase  activity.  Also  the mRNA  level  of 

osteogenesis markers such as ALPase, osteocalcin and Runx2 would be expected  to be 

higher  in CaMKK2‐null MEFs. In addition,  the expression of CaMKK2 before and after 

osteogenesis  would  be  compared  in  WT  MEFs.  The  effect  of  CaMKK2  could  be 

confirmed  by  inducing  C3H10T1/2  cells  into  osteogenesis  with  or  without  acute 

inhibition  of  CaMKK2  activity.  I  expect  that  osteogenesis  would  be  enhanced  in 

C3H10T1/2 cells when CaMKK2 is inhibited by STO‐609 or deleted by shRNA.  

I have  shown  that  fewer preadipocytes  could be  isolated  from  the gonadal  fat 

pads  of CaMKK2‐null mice  fed  standard  chow  and  at  the  same  time  they have more 

adipocytes.  I  hypothesized  that  depletion  of  preadipocytes  from  knockout  mice  by 

enhanced adipogenesis contributes  to  the smaller  increase on adiposity when  they are 

switched to high‐fat diet. The first step  in confirming this hypothesis  is to examine the 

adipocyte numbers  from both WT and CaMKK2‐null mice after high‐fat diet  feeding.  I 

would expect that more adipocytes will be isolated from WT mice than from CaMKK2‐

null mice after high‐fat diet. Usually, people think new adipocytes come from resident 

Page 132: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

118 

preadipocytes  in WAT;  however,  recent  evidence  suggests  that  progenitor  cells  from 

other  tissues, especially bone marrow, also contribute  to  the hyperplasia of adipocytes 

(Crossno et al., 2006). As we know, mesenchymal stem cells (MSCs) from bone marrow 

could be differentiated  into  adipocytes,  chondrocytes  and osteocytes  (Tondreau  et  al., 

2004).  It makes me wonder whether  the maintenance and differentiation of MSCs are 

also  changed  in CaMKK2‐null mice. Actually, members of our  lab have observed  that 

CaMKK2‐null mice  have more  bone mass  and  increased  fat  content  in  isolated  bone 

marrow. These  facts  are  consistent with  the hypothesis  that CaMKK2‐null MSCs may 

have enhanced adipogenesis and osteogenesis because of deficient Pref‐1/Sox9 signaling. 

Therefore,  I would  like  to  isolate MSCs  from WT  and CaMKK2‐null mice  by  specific 

marker  SH2,  SH3  or  Stro‐1  and  confirm  the  expression  of CaMKK2.  The  number  of 

MSCs  isolated from both types of mice would also be compared. It would be expected 

that  fewer MSCs  could  be  recovered  from  knockout mice.  The  potential  of MSCs  to 

differentiate  into  osteocytes  and  adipocytes  would  be  compared  between  WT  and 

CaMKK2‐null mice. In order to test the importance of MSCs in adiposity increase during 

high‐fat  diet  feeding, whole  bone marrow  transplantation would  be  carried  out. WT 

mice receiving WT bone marrow would still be expected to be the most obese after high‐

fat diet treatment. WT mice with CaMKK2‐null bone marrow should gain less adiposity 

and  fewer  adipocytes.  In  contrast,  the CaMKK2‐null mice  receiving WT bone marrow 

Page 133: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

119 

would gain more adiposity and more adipocytes compared  to  the knockout mice with 

CaMKK2‐null bone marrow.   

Page 134: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

120 

References

Alexandre KB, Smit AM, Gray  IP, Crowther NJ  (2008) Metformin  inhibits  intracellular lipid accumulation  in  the murine pre‐adipocyte cell  line, 3T3‐L1. Diabetes Obes Metab 10: 688‐690  Anand BK, Brobeck JR (1951) Hypothalamic control of food intake in rats and cats. Yale J Biol Med 24: 123‐140  Anderson KA, Means RL, Huang QH, Kemp BE, Goldstein EG, Selbert MA, Edelman AM,  Fremeau RT, Means AR  (1998) Components  of  a  calmodulin‐dependent  protein kinase cascade. Molecular cloning,  functional characterization and cellular  localization of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase kinase beta. J Biol Chem 273: 31880‐31889  Anderson KA, Ribar TJ, Lin F, Noeldner PK, Green MF, Muehlbauer MJ, Witters LA, Kemp  BE, Means AR  (2008) Hypothalamic CaMKK2  contributes  to  the  regulation  of energy balance. Cell Metab 7: 377‐388  Andersson U, Filipsson K, Abbott CR, Woods A, Smith K, Bloom SR, Carling D, Small CJ (2004) AMP‐activated  protein  kinase  plays  a  role  in  the  control  of  food  intake.  J Biol Chem 279: 12005‐12008  Antunes‐Martins A, Mizuno K, Irvine EE, Lepicard EM, Giese KP (2007) Sex‐dependent up‐regulation  of  two  splicing  factors,  Psf  and  Srp20,  during  hippocampal  memory formation. Learn Mem 14: 693‐702  Benoit SC, Schwartz MW, Lachey JL, Hagan MM, Rushing PA, Blake KA, Yagaloff KA, Kurylko  G,  Franco  L, Danhoo W,  Seeley  RJ  (2000) A  novel  selective melanocortin‐4 receptor  agonist  reduces  food  intake  in  rats  and  mice  without  producing  aversive consequences. J Neurosci 20: 3442‐3448  Billington CJ, Briggs  JE, Grace M,  Levine AS  (1991) Effects  of  intracerebroventricular injection of neuropeptide Y on energy metabolism. Am J Physiol 260: R321‐327  Billington  CJ,  Briggs  JE,  Harker  S,  Grace  M,  Levine  AS  (1994)  Neuropeptide  Y  in hypothalamic paraventricular nucleus: a  center  coordinating energy metabolism. Am J Physiol 266: R1765‐1770  Bjorbaek C, Uotani S, da Silva B, Flier JS (1997) Divergent signaling capacities of the long and short isoforms of the leptin receptor. J Biol Chem 272: 32686‐32695 

Page 135: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

121 

 Blaeser F, Sanders MJ, Truong N, Ko S, Wu LJ, Wozniak DF, Fanselow MS, Zhuo M, Chatila  TA  (2006)  Long‐term  memory  deficits  in  Pavlovian  fear  conditioning  in Ca2+/calmodulin kinase kinase alpha‐deficient mice. Mol Cell Biol 26: 9105‐9115  Bolster DR, Crozier  SJ, Kimball  SR,  Jefferson LS  (2002) AMP‐activated protein  kinase suppresses protein synthesis in rat skeletal muscle through down‐regulated mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling. J Biol Chem 277: 23977‐23980  Broadwell RD, Brightman MW  (1976) Entry of peroxidase  into neurons of  the  central and peripheral nervous  systems  from  extracerebral  and  cerebral blood.  J Comp Neurol 166: 257‐283  Brobeck JR, Tepperman J, Long CN (1943) Experimental Hypothalamic Hyperphagia in the Albino Rat. Yale J Biol Med 15: 831‐853  Broberger C, De Lecea L, Sutcliffe JG, Hokfelt T (1998) Hypocretin/orexin‐ and melanin‐concentrating hormone‐expressing  cells  form distinct populations  in  the  rodent  lateral hypothalamus:  relationship  to  the  neuropeptide  Y  and  agouti  gene‐related  protein systems. J Comp Neurol 402: 460‐474  Broberger  C,  Hokfelt  T  (2001)  Hypothalamic  and  vagal  neuropeptide  circuitries regulating food intake. Physiol Behav 74: 669‐682  Campfield  LA,  Smith  FJ, Guisez Y, Devos  R,  Burn  P  (1995)  Recombinant mouse OB protein: evidence for a peripheral signal linking adiposity and central neural networks. Science 269: 546‐549  Carling  D  (2004)  The  AMP‐activated  protein  kinase  cascade‐‐a  unifying  system  for energy control. Trends Biochem Sci 29: 18‐24  Cha  SH,  Lane MD  (2009)  Central  lactate metabolism  suppresses  food  intake  via  the hypothalamic  AMP  kinase/malonyl‐CoA  signaling  pathway.  Biochem  Biophys  Res Commun 386: 212‐216  Chao PT, Yang L, Aja S, Moran TH, Bi S  (2011) Knockdown of NPY expression  in  the dorsomedial hypothalamus promotes development of brown adipocytes and prevents diet‐induced obesity. Cell Metab 13: 573‐583  Cheung PC, Salt IP, Davies SP, Hardie DG, Carling D (2000) Characterization of AMP‐

Page 136: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

122 

activated  protein  kinase  gamma‐subunit  isoforms  and  their  role  in  AMP  binding. Biochem J 346 Pt 3: 659‐669  Chow FA, Means AR (2007) The calclum/calmodulin‐dependent protein kinase cascades. In: Krebs J. Michalak M, eds. Calclum: a matter of life or death. Vol 41, Amsterdam; Elsavier; 345‐364  Chronwall  BM, DiMaggio DA, Massari VJ,  Pickel VM, Ruggiero DA, OʹDonohue  TL (1985) The anatomy of neuropeptide‐Y‐containing neurons in rat brain. Neuroscience 15: 1159‐1181  Clark JT, Kalra PS, Crowley WR, Kalra SP (1984) Neuropeptide Y and human pancreatic polypeptide stimulate feeding behavior in rats. Endocrinology 115: 427‐429  Coll AP, Farooqi  IS, OʹRahilly S  (2007) The hormonal  control of  food  intake. Cell 129: 251‐262  Collins S, Kuhn CM, Petro AE, Swick AG, Chrunyk BA, Surwit RS (1996) Role of leptin in fat regulation. Nature 380: 677  Corton  JM,  Gillespie  JG,  Hawley  SA,  Hardie  DG  (1995)  5‐aminoimidazole‐4‐carboxamide  ribonucleoside. A  specific method  for  activating AMP‐activated  protein kinase in intact cells? Eur J Biochem 229: 558‐565  Cota  D,  Proulx  K,  Smith  KA,  Kozma  SC,  Thomas  G, Woods  SC,  Seeley  RJ  (2006) Hypothalamic mTOR signaling regulates food intake. Science 312: 927‐930  Crossno JT, Jr., Majka SM, Grazia T, Gill RG, Klemm DJ (2006) Rosiglitazone promotes development  of  a  novel  adipocyte  population  from  bone marrow‐derived  circulating progenitor cells. J Clin Invest 116: 3220‐3228  Cummings DE, Foster‐Schubert KE, Overduin J (2005) Ghrelin and energy balance: focus on current controversies. Curr Drug Targets 6: 153‐169  Cummings DE,  Purnell  JQ,  Frayo  RS,  Schmidova  K, Wisse  BE, Weigle DS  (2001) A preprandial  rise  in plasma ghrelin  levels suggests a  role  in meal  initiation  in humans. Diabetes 50: 1714‐1719  Dagon  Y,  Avraham  Y,  Berry  EM  (2006)  AMPK  activation  regulates  apoptosis, adipogenesis, and lipolysis by eIF2alpha in adipocytes. Biochem Biophys Res Commun 340: 

Page 137: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

123 

43‐47  Date Y, Kojima M, Hosoda H, Sawaguchi A, Mondal MS, Suganuma T, Matsukura S, Kangawa K, Nakazato M  (2000) Ghrelin,  a  novel  growth  hormone‐releasing  acylated peptide,  is synthesized  in a distinct endocrine cell  type  in  the gastrointestinal  tracts of rats and humans. Endocrinology 141: 4255‐4261  Daval  M,  Foufelle  F,  Ferre  P  (2006)  Functions  of  AMP‐activated  protein  kinase  in adipose tissue. J Physiol 574: 55‐62  Davare MA,  Saneyoshi  T,  Guire  ES, Nygaard  SC,  Soderling  TR  (2004)  Inhibition  of calcium/calmodulin‐dependent protein kinase kinase by protein 14‐3‐3. J Biol Chem 279: 52191‐52199  Davies  SP,  Hawley  SA,  Woods  A,  Carling  D,  Haystead  TA,  Hardie  DG  (1994) Purification  of  the  AMP‐activated  protein  kinase  on  ATP‐gamma‐sepharose  and analysis of its subunit structure. Eur J Biochem 223: 351‐357  Davis  JD, Wirtshafter  D,  Asin  KE,  Brief  D  (1981)  Sustained  intracerebroventricular infusion of brain fuels reduces body weight and food intake in rats. Science 212: 81‐83  Desvergne  B,  Wahli  W  (1999)  Peroxisome  proliferator‐activated  receptors:  nuclear control of metabolism. Endocr Rev 20: 649‐688  Ebihara K, Ogawa Y, Katsuura G, Numata Y, Masuzaki H, Satoh N, Tamaki M, Yoshioka T, Hayase M, Matsuoka N, Aizawa‐Abe M, Yoshimasa Y, Nakao K (1999) Involvement of  agouti‐related  protein,  an  endogenous  antagonist  of  hypothalamic  melanocortin receptor, in leptin action. Diabetes 48: 2028‐2033  Edelman  AM,  Mitchelhill  KI,  Selbert  MA,  Anderson  KA,  Hook  SS,  Stapleton  D, Goldstein  EG,  Means  AR,  Kemp  BE  (1996)  Multiple  Ca(2+)‐calmodulin‐dependent protein kinase kinases from rat brain. Purification, regulation by Ca(2+)‐calmodulin, and partial amino acid sequence. J Biol Chem 271: 10806‐10810  Elias  CF,  Aschkenasi  C,  Lee  C,  Kelly  J,  Ahima  RS,  Bjorbaek  C,  Flier  JS,  Saper  CB, Elmquist JK (1999) Leptin differentially regulates NPY and POMC neurons projecting to the lateral hypothalamic area. Neuron 23: 775‐786  Elias CF, Lee C, Kelly  J, Aschkenasi C, Ahima RS, Couceyro PR, Kuhar MJ, Saper CB, Elmquist JK (1998) Leptin activates hypothalamic CART neurons projecting to the spinal 

Page 138: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

124 

cord. Neuron 21: 1375‐1385  Elmquist  JK,  Bjorbaek C, Ahima RS,  Flier  JS,  Saper CB  (1998) Distributions  of  leptin receptor mRNA isoforms in the rat brain. J Comp Neurol 395: 535‐547  Elmquist  JK,  Coppari  R,  Balthasar  N,  Ichinose  M,  Lowell  BB  (2005)  Identifying hypothalamic pathways controlling food intake, body weight, and glucose homeostasis. J Comp Neurol 493: 63‐71  Enslen  H,  Sun  P,  Brickey  D,  Soderling  SH,  Klamo  E,  Soderling  TR  (1994) Characterization  of  Ca2+/calmodulin‐dependent  protein  kinase  IV.  Role  in transcriptional regulation. J Biol Chem 269: 15520‐15527  Erickson  JC, Clegg KE,  Palmiter  RD  (1996)  Sensitivity  to  leptin  and  susceptibility  to seizures of mice lacking neuropeptide Y. Nature 381: 415‐421  Etherton  TD,  Thompson  EH,  Allen  CE  (1977)  Improved  techniques  for  studies  of adipocyte cellularity and metabolism. J Lipid Res 18: 552‐557  Fan W, Boston BA, Kesterson RA, Hruby VJ, Cone RD (1997) Role of melanocortinergic neurons in feeding and the agouti obesity syndrome. Nature 385: 165‐168  Farmer SR (2006) Transcriptional control of adipocyte formation. Cell Metab 4: 263‐273  Fei H, Okano HJ,  Li  C,  Lee GH,  Zhao  C, Darnell  R,  Friedman  JM  (1997) Anatomic localization  of  alternatively  spliced  leptin  receptors  (Ob‐R)  in mouse  brain  and  other tissues. Proc Natl Acad Sci U S A 94: 7001‐7005  Fong TM, Mao C, MacNeil T, Kalyani R, Smith T, Weinberg D, Tota MR, Van der Ploeg LH  (1997) ART  (protein product of agouti‐related  transcript) as an antagonist of MC‐3 and MC‐4 receptors. Biochem Biophys Res Commun 237: 629‐631  Fortin DA, Davare MA, Srivastava T, Brady JD, Nygaard S, Derkach VA, Soderling TR (2010)  Long‐term  potentiation‐dependent  spine  enlargement  requires  synaptic  Ca2+‐permeable AMPA receptors recruited by CaM‐kinase I. J Neurosci 30: 11565‐11575  Frederich RC, Lollmann B, Hamann A, Napolitano‐Rosen A, Kahn BB, Lowell BB, Flier JS (1995) Expression of ob mRNA and its encoded protein in rodents. Impact of nutrition and obesity. J Clin Invest 96: 1658‐1663  

Page 139: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

125 

Freytag  SO, Paielli DL, Gilbert  JD  (1994) Ectopic  expression  of  the CCAAT/enhancer‐binding  protein  alpha  promotes  the  adipogenic  program  in  a  variety  of  mouse fibroblastic cells. Genes Dev 8: 1654‐1663  Fruhbeck G, Gomez‐Ambrosi J, Muruzabal FJ, Burrell MA (2001) The adipocyte: a model for  integration of endocrine and metabolic  signaling  in energy metabolism  regulation. Am J Physiol Endocrinol Metab 280: E827‐847  Giri S, Rattan R, Haq E, Khan M, Yasmin R, Won  JS, Key L, Singh AK, Singh  I  (2006) AICAR inhibits adipocyte differentiation in 3T3L1 and restores metabolic alterations in diet‐induced obesity mice model. Nutr Metab (Lond) 3: 31  Golay A, Ybarra  J  (2005) Link between obesity and  type 2 diabetes. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 19: 649‐663  Green MF, Scott  JW, Steel R, Oakhill  J, Kemp BE, Means AR  (2011) Ca2+/calmodulin‐dependent  protein  kinase  kinase  β  is  regulated  by multi‐site  phosphorylation.  J Biol Chem (in press)  Gropp E, Shanabrough M, Borok E, Xu AW, Janoschek R, Buch T, Plum L, Balthasar N, Hampel  B,  Waisman  A,  Barsh  GS,  Horvath  TL,  Bruning  JC  (2005)  Agouti‐related peptide‐expressing neurons are mandatory for feeding. Nat Neurosci 8: 1289‐1291  Habinowski SA, Witters LA (2001) The effects of AICAR on adipocyte differentiation of 3T3‐L1 cells. Biochem Biophys Res Commun 286: 852‐856  Hagan MM, Rushing PA, Pritchard LM, Schwartz MW, Strack AM, Van Der Ploeg LH, Woods  SC,  Seeley  RJ  (2000)  Long‐term  orexigenic  effects  of AgRP‐(83‐‐‐132)  involve mechanisms other  than melanocortin receptor blockade. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 279: R47‐52  Hahn TM, Breininger  JF, Baskin DG, Schwartz MW  (1998) Coexpression of Agrp and NPY in fasting‐activated hypothalamic neurons. Nat Neurosci 1: 271‐272  Halaas  JL,  Gajiwala  KS, Maffei M,  Cohen  SL,  Chait  BT,  Rabinowitz  D,  Lallone  RL, Burley SK, Friedman  JM  (1995) Weight‐reducing effects of  the plasma protein encoded by the obese gene. Science 269: 543‐546  Hamm  JK, Park BH, Farmer SR  (2001) A  role  for C/EBPbeta  in  regulating peroxisome proliferator‐activated  receptor  gamma  activity  during  adipogenesis  in  3T3‐L1 

Page 140: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

126 

preadipocytes. J Biol Chem 276: 18464‐18471  Han SM, Namkoong C, Jang PG, Park IS, Hong SW, Katakami H, Chun S, Kim SW, Park JY,  Lee  KU,  Kim  MS  (2005)  Hypothalamic  AMP‐activated  protein  kinase  mediates counter‐regulatory responses to hypoglycaemia in rats. Diabetologia 48: 2170‐2178  Hardie DG (2003) Minireview: the AMP‐activated protein kinase cascade: the key sensor of cellular energy status. Endocrinology 144: 5179‐5183  Hardie DG, Hawley SA, Scott JW (2006) AMP‐activated protein kinase‐‐development of the energy sensor concept. J Physiol 574: 7‐15  Hardie DG, Scott JW, Pan DA, Hudson ER (2003) Management of cellular energy by the AMP‐activated protein kinase system. FEBS Lett 546: 113‐120  Haribabu  B,  Hook  SS,  Selbert  MA,  Goldstein  EG,  Tomhave  ED,  Edelman  AM, Snyderman R, Means AR (1995) Human calcium‐calmodulin dependent protein kinase I: cDNA cloning, domain structure and activation by phosphorylation at threonine‐177 by calcium‐calmodulin dependent protein kinase I kinase. Embo J 14: 3679‐3686  Harrold JA, Widdowson PS, Williams G (1999) Altered energy balance causes selective changes  in  melanocortin‐4(MC4‐R),  but  not  melanocortin‐3  (MC3‐R),  receptors  in specific  hypothalamic  regions:  further  evidence  that  activation  of  MC4‐R  is  a physiological inhibitor of feeding. Diabetes 48: 267‐271  Hausman DB, Park HJ, Hausman GJ (2008) Isolation and culture of preadipocytes from rodent white adipose tissue. Methods Mol Biol 456: 201‐219  Hawley SA, Boudeau J, Reid JL, Mustard KJ, Udd L, Makela TP, Alessi DR, Hardie DG (2003) Complexes between  the LKB1  tumor  suppressor, STRAD alpha/beta and MO25 alpha/beta are upstream kinases in the AMP‐activated protein kinase cascade. J Biol 2: 28  Hawley  SA, Davison M, Woods A, Davies  SP, Beri RK, Carling D, Hardie DG  (1996) Characterization  of  the  AMP‐activated  protein  kinase  kinase  from  rat  liver  and identification  of  threonine  172  as  the  major  site  at  which  it  phosphorylates  AMP‐activated protein kinase. J Biol Chem 271: 27879‐27887  Hawley SA, Pan DA, Mustard KJ, Ross L, Bain  J, Edelman AM, Frenguelli BG, Hardie DG (2005) Calmodulin‐dependent protein kinase kinase‐beta is an alternative upstream kinase for AMP‐activated protein kinase. Cell Metab 2: 9‐19 

Page 141: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

127 

 Hawley SA, Selbert MA, Goldstein EG, Edelman AM, Carling D, Hardie DG  (1995) 5ʹ‐AMP  activates  the  AMP‐activated  protein  kinase  cascade,  and  Ca2+/calmodulin activates  the  calmodulin‐dependent  protein  kinase  I  cascade,  via  three  independent mechanisms. J Biol Chem 270: 27186‐27191  Haynes WG, Morgan DA, Djalali A, Sivitz WI, Mark AL (1999) Interactions between the melanocortin system and leptin in control of sympathetic nerve traffic. Hypertension 33: 542‐547  Heldmaier G, Buchberger A (1985) Sources of heat during nonshivering thermogenesis in Djungarian hamsters: a dominant role of brown adipose tissue during cold adaptation. J Comp Physiol B 156: 237‐245  Henin N, Vincent MF, Gruber HE, Van den Berghe G (1995) Inhibition of fatty acid and cholesterol synthesis by stimulation of AMP‐activated protein kinase. Faseb J 9: 541‐546  Horman S, Vertommen D, Heath R, Neumann D, Mouton V, Woods A, Schlattner U, Wallimann T, Carling D, Hue L, Rider MH (2006) Insulin antagonizes ischemia‐induced Thr172  phosphorylation  of AMP‐activated  protein  kinase  alpha‐subunits  in  heart  via hierarchical phosphorylation of Ser485/491. J Biol Chem 281: 5335‐5340  Hu  E,  Tontonoz  P,  Spiegelman  BM  (1995)  Transdifferentiation  of  myoblasts  by  the adipogenic transcription factors PPAR gamma and C/EBP alpha. Proc Natl Acad Sci U S A 92: 9856‐9860  Hudson ER, Pan DA, James J, Lucocq JM, Hawley SA, Green KA, Baba O, Terashima T, Hardie DG  (2003) A  novel  domain  in AMP‐activated  protein  kinase  causes  glycogen storage bodies similar to those seen in hereditary cardiac arrhythmias. Curr Biol 13: 861‐866  Hurley RL, Anderson KA, Franzone  JM, Kemp BE, Means AR, Witters LA  (2005) The Ca2+/calmodulin‐dependent  protein  kinase  kinases  are AMP‐activated  protein  kinase kinases. J Biol Chem 280: 29060‐29066  Hurley RL, Barre LK, Wood SD, Anderson KA, Kemp BE, Means AR, Witters LA (2006) Regulation of AMP‐activated protein kinase by multisite phosphorylation in response to agents that elevate cellular cAMP. J Biol Chem 281: 36662‐36672  Hwang JT, Lee M, Jung SN, Lee HJ, Kang I, Kim SS, Ha J (2004) AMP‐activated protein 

Page 142: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

128 

kinase  activity  is  required  for  vanadate‐induced  hypoxia‐inducible  factor  1alpha expression in DU145 cells. Carcinogenesis 25: 2497‐2507  Inoki K, Zhu T, Guan KL (2003) TSC2 mediates cellular energy response to control cell growth and survival. Cell 115: 577‐590  Jamshidi  N,  Taylor  DA  (2001)  Anandamide  administration  into  the  ventromedial hypothalamus stimulates appetite in rats. Br J Pharmacol 134: 1151‐1154  Jensen B, Farach‐Carson MC, Kenaley E, Akanbi KA  (2004) High extracellular calcium attenuates adipogenesis in 3T3‐L1 preadipocytes. Exp Cell Res 301: 280‐292  Jeong JH, Kang JH, Hwang SL, Cho HJ, Park KK, Park YY, Chung IK, Chang HW, Kim CH, Min  KS,  Kim HD, Magae  J,  Kang  SS,  Chang  YC  (2011)  4‐O‐methylascochlorin, methylated  derivative  of  ascochlorin,  stabilizes  HIF‐1alpha  via  AMPK  activation. Biochem Biophys Res Commun 406: 353‐358  Joseph  JD,  Means  AR  (2000)  Identification  and  characterization  of  two  Ca2+/CaM‐dependent protein kinases required for normal nuclear division in Aspergillus nidulans. J Biol Chem 275: 38230‐38238  Kahl CR, Means AR (2003) Regulation of cell cycle progression by calcium/calmodulin‐dependent pathways. Endocr Rev 24: 719‐736  Kahl CR, Means AR  (2004) Calcineurin  regulates  cyclin D1  accumulation  in  growth‐stimulated fibroblasts. Mol Biol Cell 15: 1833‐1842  Kalra SP, Kalra PS (2004) NPY and cohorts in regulating appetite, obesity and metabolic syndrome: beneficial effects of gene therapy. Neuropeptides 38: 201‐211  Kim  EK, Miller  I, Aja  S,  Landree  LE,  Pinn M, McFadden  J, Kuhajda  FP, Moran  TH, Ronnett  GV  (2004)  C75,  a  fatty  acid  synthase  inhibitor,  reduces  food  intake  via hypothalamic AMP‐activated protein kinase. J Biol Chem 279: 19970‐19976  Kim  JE, Chen  J  (2004)  regulation of peroxisome proliferator‐activated  receptor‐gamma activity by mammalian target of rapamycin and amino acids in adipogenesis. Diabetes 53: 2748‐2756  Kim KA, Kim  JH, Wang Y,  Sul HS  (2007) Pref‐1  (preadipocyte  factor  1)  activates  the MEK/extracellular signal‐regulated kinase pathway  to  inhibit adipocyte differentiation. 

Page 143: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

129 

Mol Cell Biol 27: 2294‐2308  Kim MS, Pak YK, Jang PG, Namkoong C, Choi YS, Won JC, Kim KS, Kim SW, Kim HS, Park  JY, Kim YB, Lee KU  (2006) Role of hypothalamic Foxo1  in  the regulation of  food intake and energy homeostasis. Nat Neurosci 9: 901‐906  Kim MS, Park JY, Namkoong C, Jang PG, Ryu JW, Song HS, Yun JY, Namgoong IS, Ha J, Park IS, Lee IK, Viollet B, Youn JH, Lee HK, Lee KU (2004) Anti‐obesity effects of alpha‐lipoic acid mediated by suppression of hypothalamic AMP‐activated protein kinase. Nat Med 10: 727‐733  Kim Y, Lin Q, Zelterman D, Yun Z  (2009) Hypoxia‐regulated delta‐like  1 homologue enhances cancer cell stemness and tumorigenicity. Cancer Res 69: 9271‐9280  Kitani T, Okuno S, Fujisawa H (1997) Molecular cloning of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase kinase beta. J Biochem 122: 243‐250  Kletzien RF, Clarke SD, Ulrich RG  (1992) Enhancement of adipocyte differentiation by an insulin‐sensitizing agent. Mol Pharmacol 41: 393‐398  Kohno D, Gao HZ, Muroya S, Kikuyama S, Yada T (2003) Ghrelin directly interacts with neuropeptide‐Y‐containing  neurons  in  the  rat  arcuate  nucleus:  Ca2+  signaling  via protein kinase A and N‐type channel‐dependent mechanisms and cross‐talk with leptin and orexin. Diabetes 52: 948‐956  Kokubo M,  Nishio M,  Ribar  TJ,  Anderson  KA, West  AE, Means  AR  (2009)  BDNF‐mediated cerebellar granule cell development  is  impaired  in mice null  for CaMKK2 or CaMKIV. J Neurosci 29: 8901‐8913  Kola B, Hubina E, Tucci SA, Kirkham TC, Garcia EA, Mitchell SE, Williams LM, Hawley SA, Hardie DG, Grossman AB, Korbonits M (2005) Cannabinoids and ghrelin have both central and peripheral metabolic and cardiac effects via AMP‐activated protein kinase. J Biol Chem 280: 25196‐25201  Koutnikova H, Cock TA, Watanabe M, Houten SM, Champy MF, Dierich A, Auwerx  J (2003) Compensation by the muscle limits the metabolic consequences of lipodystrophy in PPAR gamma hypomorphic mice. Proc Natl Acad Sci U S A 100: 14457‐14462  Kristensen P, Judge ME, Thim L, Ribel U, Christjansen KN, Wulff BS, Clausen JT, Jensen PB, Madsen OD, Vrang N, Larsen PJ, Hastrup S  (1998) Hypothalamic CART  is a new 

Page 144: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

130 

anorectic peptide regulated by leptin. Nature 393: 72‐76  Lee  H,  Kang  R,  Bae  S,  Yoon  Y  (2011)  AICAR,  an  activator  of  AMPK,  inhibits adipogenesis via the WNT/beta‐catenin pathway in 3T3‐L1 adipocytes. Int J Mol Med 28: 65‐71  Lee JC, Edelman AM (1994) A protein activator of Ca(2+)‐calmodulin‐dependent protein kinase Ia. J Biol Chem 269: 2158‐2164  Lee  K,  Li  B,  Xi  X,  Suh  Y, Martin  RJ  (2005)  Role  of  neuronal  energy  status  in  the regulation  of  adenosine  5ʹ‐monophosphate‐activated  protein  kinase,  orexigenic neuropeptides expression, and feeding behavior. Endocrinology 146: 3‐10  Lee M, Hwang JT, Lee HJ, Jung SN, Kang I, Chi SG, Kim SS, Ha J (2003) AMP‐activated protein kinase  activity  is  critical  for hypoxia‐inducible  factor‐1  transcriptional  activity and its target gene expression under hypoxic conditions in DU145 cells. J Biol Chem 278: 39653‐39661  Levine  AS,  Morley  JE  (1984)  Neuropeptide  Y:  a  potent  inducer  of  consummatory behavior in rats. Peptides 5: 1025‐1029  Lin FT, Lane MD  (1992) Antisense CCAAT/enhancer‐binding protein RNA suppresses coordinate gene expression and triglyceride accumulation during differentiation of 3T3‐L1 preadipocytes. Genes Dev 6: 533‐544  Lin FT, Lane MD (1994) CCAAT/enhancer binding protein alpha is sufficient to initiate the 3T3‐L1 adipocyte differentiation program. Proc Natl Acad Sci U S A 91: 8757‐8761  Lindner  D,  Stichel  J,  Beck‐Sickinger  AG  (2008)  Molecular  recognition  of  the  NPY hormone family by their receptors. Nutrition 24: 907‐917  Lopaschuk GD, Ussher  JR,  Jaswal  JS  (2010) Targeting  intermediary metabolism  in  the hypothalamus as a mechanism to regulate appetite. Pharmacol Rev 62: 237‐264  Lopez M, Varela L, Vazquez MJ, Rodriguez‐Cuenca  S, Gonzalez CR, Velagapudi VR, Morgan DA, Schoenmakers E, Agassandian K, Lage R, Martinez de Morentin PB, Tovar S, Nogueiras  R,  Carling  D,  Lelliott  C,  Gallego  R,  Oresic M,  Chatterjee  K,  Saha  AK, Rahmouni  K,  Dieguez  C,  Vidal‐Puig  A  (2010)  Hypothalamic  AMPK  and  fatty  acid metabolism mediate thyroid regulation of energy balance. Nat Med 16: 1001‐1008  

Page 145: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

131 

Lowell  BB,  Spiegelman  BM  (2000)  Towards  a  molecular  understanding  of  adaptive thermogenesis. Nature 404: 652‐660  Luquet S, Perez FA, Hnasko TS, Palmiter RD (2005) NPY/AgRP neurons are essential for feeding in adult mice but can be ablated in neonates. Science 310: 683‐685  MacDougald  OA, Mandrup  S  (2002)  Adipogenesis:  forces  that  tip  the  scales.  Trends Endocrinol Metab 13: 5‐11  Macrez N, Mironneau J (2004) Local Ca2+ signals in cellular signalling. Curr Mol Med 4: 263‐275  Mandrup S, Lane MD (1997) Regulating adipogenesis. J Biol Chem 272: 5367‐5370  Mano‐Otagiri A, Ohata H,  Iwasaki‐Sekino A, Nemoto  T,  Shibasaki  T  (2009)  Ghrelin suppresses noradrenaline  release  in  the brown adipose  tissue of  rats.  J Endocrinol 201: 341‐349  Marsin AS, Bertrand L, Rider MH, Deprez J, Beauloye C, Vincent MF, Van den Berghe G, Carling D, Hue L (2000) Phosphorylation and activation of heart PFK‐2 by AMPK has a role in the stimulation of glycolysis during ischaemia. Curr Biol 10: 1247‐1255  Mashiko S, Ishihara A, Iwaasa H, Sano H, Ito J, Gomori A, Oda Z, Moriya R, Matsushita H, Jitsuoka M, Okamoto O, MacNeil DJ, Van der Ploeg LH, Fukami T, Kanatani A (2007) A  pair‐feeding  study  reveals  that  a Y5  antagonist  causes weight  loss  in  diet‐induced obese mice by modulating  food  intake and energy expenditure. Mol Pharmacol 71: 602‐608  Matsushita M, Nairn  AC  (1998)  Characterization  of  the mechanism  of  regulation  of Ca2+/ calmodulin‐dependent protein kinase  I by calmodulin and by Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase kinase. J Biol Chem 273: 21473‐21481  Matsushita M, Nairn AC  (1999)  Inhibition  of  the Ca2+/calmodulin‐dependent  protein kinase I cascade by cAMP‐dependent protein kinase. J Biol Chem 274: 10086‐10093  Means AR (2000) Regulatory cascades involving calmodulin‐dependent protein kinases. Mol Endocrinol 14: 4‐13  Merrill GF, Kurth EJ, Hardie DG, Winder WW  (1997) AICA  riboside  increases AMP‐activated protein kinase,  fatty  acid oxidation,  and glucose uptake  in  rat muscle. Am  J 

Page 146: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

132 

Physiol 273: E1107‐1112  Miller  CW,  Casimir  DA,  Ntambi  JM  (1996)  The mechanism  of  inhibition  of  3T3‐L1 preadipocyte differentiation by prostaglandin F2alpha. Endocrinology 137: 5641‐5650  Minokoshi Y, Alquier T, Furukawa N, Kim YB, Lee A, Xue B, Mu J, Foufelle F, Ferre P, Birnbaum  MJ,  Stuck  BJ,  Kahn  BB  (2004)  AMP‐kinase  regulates  food  intake  by responding to hormonal and nutrient signals in the hypothalamus. Nature 428: 569‐574  Mitchelhill KI, Stapleton D, Gao G, House C, Michell B, Katsis F, Witters LA, Kemp BE (1994)  Mammalian  AMP‐activated  protein  kinase  shares  structural  and  functional homology with the catalytic domain of yeast Snf1 protein kinase. J Biol Chem 269: 2361‐2364  Mizuno K, Ris L, Sanchez‐Capelo A, Godaux E, Giese KP (2006) Ca2+/calmodulin kinase kinase alpha is dispensable for brain development but is required for distinct memories in male, though not in female, mice. Mol Cell Biol 26: 9094‐9104  Mochizuki  H,  Ito  T,  Hidaka  H  (1993)  Purification  and  characterization  of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase V from rat cerebrum. J Biol Chem 268: 9143‐9147  Mokdad AH,  Ford ES, Bowman BA, Dietz WH, Vinicor  F, Bales VS, Marks  JS  (2003) Prevalence of obesity, diabetes, and obesity‐related health  risk  factors, 2001.  Jama 289: 76‐79  Momcilovic M, Hong  SP, Carlson M  (2006) Mammalian  TAK1  activates  Snf1  protein kinase  in yeast and phosphorylates AMP‐activated protein kinase  in vitro.  J Biol Chem 281: 25336‐25343  Morton GJ, Cummings DE, Baskin DG, Barsh GS, Schwartz MW (2006) Central nervous system control of food intake and body weight. Nature 443: 289‐295  Morton GJ, Niswender KD, Rhodes CJ, Myers MG, Jr., Blevins JE, Baskin DG, Schwartz MW (2003) Arcuate nucleus‐specific leptin receptor gene therapy attenuates the obesity phenotype of Koletsky (fa(k)/fa(k)) rats. Endocrinology 144: 2016‐2024  Must A,  Spadano  J, Coakley  EH,  Field AE, Colditz G, Dietz WH  (1999)  The  disease burden associated with overweight and obesity. Jama 282: 1523‐1529  

Page 147: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

133 

Nakazato M, Murakami N, Date Y, Kojima M, Matsuo H, Kangawa K, Matsukura  S (2001) A role for ghrelin in the central regulation of feeding. Nature 409: 194‐198  Ntambi  JM,  Takova  T  (1996)  Role  of  Ca2+  in  the  early  stages  of murine  adipocyte differentiation as evidenced by calcium mobilizing agents. Differentiation 60: 151‐158  Nubel T, Ricquier D  (2006) Respiration under  control of uncoupling proteins: Clinical perspective. Horm Res 65: 300‐310  Obici  S,  Feng  Z,  Morgan  K,  Stein  D,  Karkanias  G,  Rossetti  L  (2002)  Central administration of oleic acid inhibits glucose production and food intake. Diabetes 51: 271‐275  Okuno  S,  Fujisawa  H  (1993)  Requirement  of  brain  extract  for  the  activity  of  brain calmodulin‐dependent  protein  kinase  IV  expressed  in  Escherichia  coli.  J Biochem  114: 167‐170  Okuno  S,  Kitani  T,  Fujisawa  H  (1994)  Purification  and  characterization  of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase IV kinase from rat brain. J Biochem 116: 923‐930  Ollmann  MM, Wilson  BD,  Yang  YK,  Kerns  JA,  Chen  Y,  Gantz  I,  Barsh  GS  (1997) Antagonism  of  central melanocortin  receptors  in  vitro  and  in  vivo  by  agouti‐related protein. Science 278: 135‐138  Oury F, Yadav VK, Wang Y, Zhou B, Liu XS, Guo XE, Tecott LH, Schutz G, Means AR, Karsenty G  (2010) CREB mediates brain serotonin regulation of bone mass  through  its expression in ventromedial hypothalamic neurons. Genes Dev 24: 2330‐2342  Permana PA, Nair S, Lee YH, Luczy‐Bachman G, Vozarova De Courten B, Tataranni PA (2004) Subcutaneous abdominal preadipocyte differentiation in vitro inversely correlates with central obesity. Am J Physiol Endocrinol Metab 286: E958‐962  Perrin C, Knauf C, Burcelin R (2004) Intracerebroventricular infusion of glucose, insulin, and  the  adenosine  monophosphate‐activated  kinase  activator,  5‐aminoimidazole‐4‐carboxamide‐1‐beta‐D‐ribofuranoside, controls muscle glycogen synthesis. Endocrinology 145: 4025‐4033  Peters  M,  Mizuno  K,  Ris  L,  Angelo  M,  Godaux  E,  Giese  KP  (2003)  Loss  of Ca2+/calmodulin kinase kinase beta affects  the formation of some, but not all,  types of 

Page 148: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

134 

hippocampus‐dependent long‐term memory. J Neurosci 23: 9752‐9760  Petro AE, Cotter J, Cooper DA, Peters JC, Surwit SJ, Surwit RS (2004) Fat, carbohydrate, and  calories  in  the  development  of  diabetes  and  obesity  in  the  C57BL/6J  mouse. Metabolism 53: 454‐457  Polekhina G, Gupta A, Michell  BJ,  van Denderen  B, Murthy  S,  Feil  SC,  Jennings  IG, Campbell DJ, Witters LA, Parker MW, Kemp BE, Stapleton D (2003) AMPK beta subunit targets metabolic stress sensing to glycogen. Curr Biol 13: 867‐871  Qian S, Chen H, Weingarth D, Trumbauer ME, Novi DE, Guan X, Yu H, Shen Z, Feng Y, Frazier E, Chen A, Camacho RE, Shearman LP, Gopal‐Truter S, MacNeil DJ, Van der Ploeg  LH,  Marsh  DJ  (2002)  Neither  agouti‐related  protein  nor  neuropeptide  Y  is critically  required  for  the  regulation  of  energy  homeostasis  in mice. Mol Cell Biol  22: 5027‐5035  Ribar  TJ,  Rodriguiz  RM,  Khiroug  L,  Wetsel  WC,  Augustine  GJ,  Means  AR  (2000) Cerebellar defects in Ca2+/calmodulin kinase IV‐deficient mice. J Neurosci 20: RC107  Robson  AJ,  Rousseau  K,  Loudon  AS,  Ebling  FJ  (2002)  Cocaine  and  amphetamine‐regulated transcript mRNA regulation in the hypothalamus in lean and obese rodents. J Neuroendocrinol 14: 697‐709  Rosen  ED,  Sarraf  P,  Troy  AE,  Bradwin  G, Moore  K, Milstone  DS,  Spiegelman  BM, Mortensen RM (1999) PPAR gamma is required for the differentiation of adipose tissue in vivo and in vitro. Mol Cell 4: 611‐617  Rosen ED, Spiegelman BM  (2000) Molecular  regulation of adipogenesis. Annu Rev Cell Dev Biol 16: 145‐171  Rosen ED, Walkey CJ, Puigserver P, Spiegelman BM (2000) Transcriptional regulation of adipogenesis. Genes Dev 14: 1293‐1307  Ross DA, Rao PK, Kadesch T  (2004) Dual roles  for  the Notch  target gene Hes‐1  in  the differentiation of 3T3‐L1 preadipocytes. Mol Cell Biol 24: 3505‐3513  Rossi  M,  Kim  MS,  Morgan  DG,  Small  CJ,  Edwards  CM,  Sunter  D,  Abusnana  S, Goldstone AP, Russell SH, Stanley SA, Smith DM, Yagaloff K, Ghatei MA, Bloom SR (1998)  A  C‐terminal  fragment  of  Agouti‐related  protein  increases  feeding  and antagonizes  the effect of alpha‐melanocyte stimulating hormone  in vivo. Endocrinology 

Page 149: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

135 

139: 4428‐4431  Russell RR, 3rd, Bergeron R, Shulman GI, Young LH (1999) Translocation of myocardial GLUT‐4  and  increased  glucose uptake  through  activation  of AMPK  by AICAR. Am  J Physiol 277: H643‐649  Rutter GA, Da Silva Xavier G, Leclerc I (2003) Roles of 5ʹ‐AMP‐activated protein kinase (AMPK) in mammalian glucose homoeostasis. Biochem J 375: 1‐16  Sabina RL, Patterson D, Holmes EW  (1985) 5‐Amino‐4‐imidazolecarboxamide  riboside (Z‐riboside) metabolism in eukaryotic cells. J Biol Chem 260: 6107‐6114  Sakagami H, Kamata A, Nishimura H, Kasahara J, Owada Y, Takeuchi Y, Watanabe M, Fukunaga  K,  Kondo  H  (2005)  Prominent  expression  and  activity‐dependent  nuclear translocation  of  Ca2+/calmodulin‐dependent  protein  kinase  Idelta  in  hippocampal neurons. Eur J Neurosci 22: 2697‐2707  Sakagami  H,  Umemiya  M,  Saito  S,  Kondo  H  (2000)  Distinct  immunohistochemical localization of two isoforms of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase kinases in the adult rat brain. Eur J Neurosci 12: 89‐99  Sandouk  T,  Reda  D,  Hofmann  C  (1993)  Antidiabetic  agent  pioglitazone  enhances adipocyte differentiation of 3T3‐F442A cells. Am J Physiol 264: C1600‐1608  Satoh N, Ogawa Y, Katsuura G, Numata Y, Masuzaki H, Yoshimasa Y, Nakao K (1998) Satiety  effect  and  sympathetic  activation  of  leptin  are  mediated  by  hypothalamic melanocortin system. Neurosci Lett 249: 107‐110  Schaffhauser AO, Stricker‐Krongrad A, Brunner L, Cumin F, Gerald C, Whitebread S, Criscione  L,  Hofbauer  KG  (1997)  Inhibition  of  food  intake  by  neuropeptide  Y  Y5 receptor antisense oligodeoxynucleotides. Diabetes 46: 1792‐1798  Schmitt  JM, Guire ES, Saneyoshi T, Soderling TR  (2005) Calmodulin‐dependent kinase kinase/calmodulin kinase I activity gates extracellular‐regulated kinase‐dependent long‐term potentiation. J Neurosci 25: 1281‐1290  Schmitt  JM, Wayman GA, Nozaki N,  Soderling TR  (2004) Calcium  activation  of ERK mediated by calmodulin kinase I. J Biol Chem 279: 24064‐24072  Schwartz MW,  Seeley RJ, Woods  SC, Weigle DS, Campfield  LA,  Burn  P,  Baskin DG 

Page 150: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

136 

(1997)  Leptin  increases  hypothalamic  pro‐opiomelanocortin mRNA  expression  in  the rostral arcuate nucleus. Diabetes 46: 2119‐2123  Seeley RJ, Yagaloff KA, Fisher SL, Burn P, Thiele TE, van Dijk G, Baskin DG, Schwartz MW (1997) Melanocortin receptors in leptin effects. Nature 390: 349  Segal‐Lieberman  G,  Trombly  DJ,  Juthani  V,  Wang  X,  Maratos‐Flier  E  (2003)  NPY ablation in C57BL/6 mice leads to mild obesity and to an impaired refeeding response to fasting. Am J Physiol Endocrinol Metab 284: E1131‐1139  Selbert MA, Anderson KA, Huang QH, Goldstein EG, Means AR, Edelman AM  (1995) Phosphorylation  and  activation  of Ca(2+)‐calmodulin‐dependent protein  kinase  IV  by Ca(2+)‐calmodulin‐dependent  protein  kinase  Ia  kinase.  Phosphorylation  of  threonine 196 is essential for activation. J Biol Chem 270: 17616‐17621  Shaw RJ, Kosmatka M, Bardeesy N, Hurley RL, Witters LA, DePinho RA, Cantley LC (2004) The  tumor suppressor LKB1 kinase directly activates AMP‐activated kinase and regulates apoptosis in response to energy stress. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 3329‐3335  Shi H, Halvorsen YD, Ellis  PN, Wilkison WO, Zemel MB  (2000) Role  of  intracellular calcium in human adipocyte differentiation. Physiol Genomics 3: 75‐82  Small CJ, Kim MS, Stanley SA, Mitchell JR, Murphy K, Morgan DG, Ghatei MA, Bloom SR  (2001)  Effects  of  chronic  central  nervous  system  administration  of  agouti‐related protein in pair‐fed animals. Diabetes 50: 248‐254  Small  CJ,  Liu  YL,  Stanley  SA,  Connoley  IP, Kennedy A,  Stock MJ,  Bloom  SR  (2003) Chronic  CNS  administration  of  Agouti‐related  protein  (Agrp)  reduces  energy expenditure. Int J Obes Relat Metab Disord 27: 530‐533  Smas CM, Sul HS  (1996) Characterization of Pref‐1 and  its  inhibitory role  in adipocyte differentiation. Int J Obes Relat Metab Disord 20 Suppl 3: S65‐72  Soderling  TR  (1999)  The  Ca‐calmodulin‐dependent  protein  kinase  cascade.  Trends Biochem Sci 24: 232‐236  Soltys CL, Kovacic S, Dyck JR (2006) Activation of cardiac AMP‐activated protein kinase by  LKB1  expression  or  chemical  hypoxia  is  blunted  by  increased Akt  activity.  Am  J Physiol Heart Circ Physiol 290: H2472‐2479  

Page 151: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

137 

Spiegelman BM, Flier  JS  (2001) Obesity and  the  regulation of energy balance. Cell 104: 531‐543  Stanley S, Wynne K, McGowan B, Bloom S (2005) Hormonal regulation of food  intake. Physiol Rev 85: 1131‐1158  Stoppa GR, Cesquini M,  Roman  EA,  Prada  PO,  Torsoni AS,  Romanatto  T,  Saad MJ, Velloso  LA,  Torsoni  MA  (2008)  Intracerebroventricular  injection  of  citrate  inhibits hypothalamic AMPK and modulates feeding behavior and peripheral insulin signaling. J Endocrinol 198: 157‐168  Sul HS  (2009) Minireview: Pref‐1: role  in adipogenesis and mesenchymal cell  fate. Mol Endocrinol 23: 1717‐1725  Sullivan JE, Brocklehurst KJ, Marley AE, Carey F, Carling D, Beri RK (1994) Inhibition of lipolysis  and  lipogenesis  in  isolated  rat  adipocytes  with  AICAR,  a  cell‐permeable activator of AMP‐activated protein kinase. FEBS Lett 353: 33‐36  Sullivan  JE, Carey  F, Carling D,  Beri RK  (1994) Characterisation  of  5ʹ‐AMP‐activated protein kinase in human liver using specific peptide substrates and the effects of 5ʹ‐AMP analogues on enzyme activity. Biochem Biophys Res Commun 200: 1551‐1556  Sumi M, Kiuchi K,  Ishikawa T,  Ishii A, Hagiwara M, Nagatsu T, Hidaka H  (1991) The newly synthesized selective Ca2+/calmodulin dependent protein kinase II inhibitor KN‐93 reduces dopamine contents in PC12h cells. Biochem Biophys Res Commun 181: 968‐975  Sun  Y, Wang  P,  Zheng H,  Smith  RG  (2004) Ghrelin  stimulation  of  growth  hormone release  and  appetite  is mediated  through  the growth hormone  secretagogue  receptor. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 4679‐4684  Surwit RS, Kuhn CM, Cochrane C, McCubbin JA, Feinglos MN (1988) Diet‐induced type II diabetes in C57BL/6J mice. Diabetes 37: 1163‐1167  Swart I, Jahng JW, Overton JM, Houpt TA (2002) Hypothalamic NPY, AGRP, and POMC mRNA responses to leptin and refeeding in mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 283: R1020‐1026  Tanaka T, Yoshida N, Kishimoto T, Akira S (1997) Defective adipocyte differentiation in mice lacking the C/EBPbeta and/or C/EBPdelta gene. Embo J 16: 7432‐7443  

Page 152: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

138 

Tang‐Christensen M,  Holst  JJ,  Hartmann  B,  Vrang  N  (1999)  The  arcuate  nucleus  is pivotal in mediating the anorectic effects of centrally administered leptin. Neuroreport 10: 1183‐1187  Thomas AP, Bird GS, Hajnoczky G, Robb‐Gaspers LD, Putney JW, Jr. (1996) Spatial and temporal aspects of cellular calcium signaling. Faseb J 10: 1505‐1517  Thornton C, Bright NJ, Sastre M, Muckett PJ, Carling D  (2011) AMP‐activated protein kinase (AMPK) is a tau kinase, activated in response to amyloid beta‐peptide exposure. Biochem J 434: 503‐512  Thornton  C,  Sardini  A,  Carling  D  (2008)  Muscarinic  receptor  activation  of  AMP‐activated protein kinase inhibits orexigenic neuropeptide mRNA expression. J Biol Chem 283: 17116‐17122  Tokumitsu H, Brickey DA, Glod  J, Hidaka H, Sikela  J, Soderling TR  (1994) Activation mechanisms for Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase IV. Identification of a brain CaM‐kinase IV kinase. J Biol Chem 269: 28640‐28647  Tokumitsu H, Chijiwa T, Hagiwara M, Mizutani A, Terasawa M, Hidaka H (1990) KN‐62, 1‐[N,O‐bis(5‐isoquinolinesulfonyl)‐N‐methyl‐L‐tyrosyl]‐4‐phenylpiperazi  ne,  a  specific inhibitor of Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase II. J Biol Chem 265: 4315‐4320  Tokumitsu H,  Enslen H,  Soderling  TR  (1995) Characterization  of  a Ca2+/calmodulin‐dependent  protein  kinase  cascade.  Molecular  cloning  and  expression  of calcium/calmodulin‐dependent protein kinase kinase. J Biol Chem 270: 19320‐19324  Tokumitsu H,  Inuzuka H,  Ishikawa Y,  Ikeda M, Saji  I, Kobayashi R  (2002) STO‐609, a specific inhibitor of the Ca(2+)/calmodulin‐dependent protein kinase kinase. J Biol Chem 277: 15813‐15818  Tokumitsu H,  Soderling  TR  (1996)  Requirements  for  calcium  and  calmodulin  in  the calmodulin kinase activation cascade. J Biol Chem 271: 5617‐5622  Tokumitsu H, Takahashi N, Eto K, Yano S, Soderling TR, Muramatsu M (1999) Substrate recognition by Ca2+/Calmodulin‐dependent protein kinase kinase. Role of  the arg‐pro‐rich insert domain. J Biol Chem 274: 15803‐15810  Tondreau T, Lagneaux L, Dejeneffe M, Delforge A, Massy M, Mortier C, Bron D (2004) Isolation  of  BM  mesenchymal  stem  cells  by  plastic  adhesion  or  negative  selection: 

Page 153: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

139 

phenotype, proliferation kinetics and differentiation potential. Cytotherapy 6: 372‐379  Tong J, Zhu MJ, Underwood KR, Hess BW, Ford SP, Du M (2008) AMP‐activated protein kinase and adipogenesis  in sheep  fetal skeletal muscle and 3T3‐L1 cells.  J Anim Sci 86: 1296‐1305  Tontonoz P, Hu E, Spiegelman BM (1994) Stimulation of adipogenesis  in fibroblasts by PPAR gamma 2, a lipid‐activated transcription factor. Cell 79: 1147‐1156  Vaisse C, Halaas JL, Horvath CM, Darnell JE, Jr., Stoffel M, Friedman JM (1996) Leptin activation of Stat3 in the hypothalamus of wild‐type and ob/ob mice but not db/db mice. Nat Genet 14: 95‐97  Valassi E, Scacchi M, Cavagnini F  (2008) Neuroendocrine  control of  food  intake. Nutr Metab Cardiovasc Dis 18: 158‐168  Viollet B, Andreelli F,  Jorgensen SB, Perrin C, Geloen A, Flamez D, Mu  J, Lenzner C, Baud O, Bennoun M, Gomas E, Nicolas G, Wojtaszewski JF, Kahn A, Carling D, Schuit FC, Birnbaum MJ, Richter EA, Burcelin R, Vaulont S (2003) The AMP‐activated protein kinase alpha2 catalytic subunit controls whole‐body insulin sensitivity. J Clin Invest 111: 91‐98  Viollet B, Foretz M, Guigas B, Horman S, Dentin R, Bertrand L, Hue L, Andreelli F (2006) Activation  of  AMP‐activated  protein  kinase  in  the  liver:  a  new  strategy  for  the management of metabolic hepatic disorders. J Physiol 574: 41‐53  Wang ND,  Finegold MJ,  Bradley A, Ou CN, Abdelsayed  SV, Wilde MD,  Taylor  LR, Wilson DR, Darlington GJ (1995) Impaired energy homeostasis in C/EBP alpha knockout mice. Science 269: 1108‐1112  Wang Y, Kim KA, Kim  JH,  Sul HS  (2006)  Pref‐1,  a  preadipocyte  secreted  factor  that inhibits adipogenesis. J Nutr 136: 2953‐2956  Wang Y, Sul HS (2006) Ectodomain shedding of preadipocyte factor 1 (Pref‐1) by tumor necrosis  factor  alpha  converting  enzyme  (TACE)  and  inhibition  of  adipocyte differentiation. Mol Cell Biol 26: 5421‐5435  Wang  Y,  Sul  HS  (2009)  Pref‐1  regulates  mesenchymal  cell  commitment  and differentiation through Sox9. Cell Metab 9: 287‐302  

Page 154: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

140 

Wayman GA, Tokumitsu H, Soderling TR  (1997)  Inhibitory cross‐talk by cAMP kinase on the calmodulin‐dependent protein kinase cascade. J Biol Chem 272: 16073‐16076  Wells T (2009) Ghrelin ‐ Defender of fat. Prog Lipid Res 48: 257‐274  Willesen  MG,  Kristensen  P,  Romer  J  (1999)  Co‐localization  of  growth  hormone secretagogue  receptor  and  NPY  mRNA  in  the  arcuate  nucleus  of  the  rat. Neuroendocrinology 70: 306‐316  Winder WW, Holmes BF, Rubink DS, Jensen EB, Chen M, Holloszy JO (2000) Activation of AMP‐activated protein kinase  increases mitochondrial enzymes  in skeletal muscle.  J Appl Physiol 88: 2219‐2226  Witters  LA, Kemp  BE, Means AR  (2006) Chutes  and  Ladders:  the  search  for  protein kinases that act on AMPK. Trends Biochem Sci 31: 13‐16  Wolfgang MJ, Cha SH, Sidhaye A, Chohnan S, Cline G, Shulman GI, Lane MD  (2007) Regulation of hypothalamic malonyl‐CoA by central glucose and  leptin. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 19285‐19290  Wolfrum C, Shih DQ, Kuwajima S, Norris AW, Kahn CR, Stoffel M (2003) Role of Foxa‐2 in adipocyte metabolism and differentiation. J Clin Invest 112: 345‐356  Woods A, Dickerson K, Heath R, Hong SP, Momcilovic M,  Johnstone SR, Carlson M, Carling D  (2005) Ca2+/calmodulin‐dependent protein kinase kinase‐beta acts upstream of AMP‐activated protein kinase in mammalian cells. Cell Metab 2: 21‐33  Woods A, Johnstone SR, Dickerson K, Leiper FC, Fryer LG, Neumann D, Schlattner U, Wallimann T, Carlson M, Carling D  (2003) LKB1  is  the upstream kinase  in  the AMP‐activated protein kinase cascade. Curr Biol 13: 2004‐2008  Woods  SC, DʹAlessio DA  (2008)  Central  control  of  body weight  and  appetite.  J Clin Endocrinol Metab 93: S37‐50  Wu  Z,  Bucher  NL,  Farmer  SR  (1996)  Induction  of  peroxisome  proliferator‐activated receptor gamma during the conversion of 3T3 fibroblasts into adipocytes is mediated by C/EBPbeta, C/EBPdelta, and glucocorticoids. Mol Cell Biol 16: 4128‐4136  Wu Z, Rosen ED, Brun R, Hauser S, Adelmant G, Troy AE, McKeon C, Darlington GJ, Spiegelman BM (1999) Cross‐regulation of C/EBP alpha and PPAR gamma controls the 

Page 155: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

141 

transcriptional pathway of adipogenesis and insulin sensitivity. Mol Cell 3: 151‐158  Wynne K, Stanley S, McGowan B, Bloom S (2005) Appetite control. J Endocrinol 184: 291‐318  Xue B, Kahn BB (2006) AMPK integrates nutrient and hormonal signals to regulate food intake and energy balance through effects in the hypothalamus and peripheral tissues. J Physiol 574: 73‐83  Yasuda T, Masaki T, Kakuma T, Yoshimatsu H  (2003) Centrally  administered ghrelin suppresses sympathetic nerve activity in brown adipose tissue of rats. Neurosci Lett 349: 75‐78  Yaswen  L, Diehl N,  Brennan MB, Hochgeschwender U  (1999) Obesity  in  the mouse model of pro‐opiomelanocortin deficiency responds to peripheral melanocortin. Nat Med 5: 1066‐1070  Yeh  WC,  Cao  Z,  Classon  M,  McKnight  SL  (1995)  Cascade  regulation  of  terminal adipocyte  differentiation  by  three  members  of  the  C/EBP  family  of  leucine  zipper proteins. Genes Dev 9: 168‐181  Zamboni M, Mazzali G, Zoico E, Harris TB, Meigs JB, Di Francesco V, Fantin F, Bissoli L, Bosello  O  (2005)  Health  consequences  of  obesity  in  the  elderly:  a  review  of  four unresolved questions. Int J Obes (Lond) 29: 1011‐1029  Zhang H, Schulz TJ, Espinoza DO, Huang TL, Emanuelli B, Kristiansen K, Tseng YH (2010) Cross talk between insulin and bone morphogenetic protein signaling systems in brown adipogenesis. Mol Cell Biol 30: 4224‐4233  Zhang Y, Proenca R, Maffei M, Barone M, Leopold L,  Friedman  JM  (1994) Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue. Nature 372: 425‐432  

Page 156: CONTRIBUTES TO THE REGULATION OF ENERGY BALANCE

 

142 

Biography 

Fumin Lin was born in Fuzhou, Fujian Province of China, on December 8, 1982, 

and grew up in the same city.  In 2001, Fumin graduated from Fuzhou No.3 high school, 

and  attended Tsinghua Univeristy  in Beijing, China.  In 2005, he  earned  a Bachelor of 

Science degree in the major of biological science and sought his graduate study aboard. 

In the fall of the same year, Fumin was admitted by Cell and Molecular Biology Program 

in  Duke  University.  After  one  year’s  rotation,  he  joined  laboratory  of  Dr.  Anthony 

Means  in  the Department of Pharmacology  to pursue his Ph.D. degree. Fumin and his 

wife, Daoyi Lin, who married him  in March, 2009,  live  in Durham, NC now. Fumin  is 

finishing his first first‐author paper. During his time in Duke, Fumin contributed to two 

papers and attended  two annual Endocrine Society meetings, at which he gave poster 

presentations.  Upon  completing  his  graduate  school  degree  he  plans  to  receive  a 

postdoctoral training.