우리 몸의 장이 단백질 부족을 감지하면 뇌에 신호를 보내 단백질 섭취를 유도한다는 연구 결과가 발표됐다. 장이 단순한 소화기관을 넘어 영양소 균형을 맞추기 위해 뇌와 소통하며 섭식 행동을 조절한다는 사실이 과학적으로 입증된 것이다.
22일 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장 연구팀은 서울대·이화여대 공동 연구진과 함께 단백질 결핍 시 활성화되는 장-뇌 축의 작동 메커니즘을 밝혀냈다고 과학기술정보통신부가 발표했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언스'에 게재됐다. 장-뇌 축은 장과 뇌 사이에서 신경, 호르몬, 면역 신호가 오가는 생리적 연결망이다.
필수 아미노산 결핍에 대응하는 장-뇌 축의 조절 메커니즘. 장신경을 통한 빠른 반응과 CNMa 호르몬을 통한 느린 반응이 함께 작동해 필수 아미노산 섭취 행동을 조절한다. / 과학기술정보통신부
장은 음식물의 소화와 흡수뿐만 아니라 체내 영양 상태, 음식 성분, 장내 미생물, 병원균 등 다양한 정보를 인식하는 역할을 한다. 이 때문에 장은 '제2의 뇌'라고도 불린다.
하지만 장에서 감지된 영양 결핍 신호가 구체적으로 어떤 경로를 통해 뇌로 전달되고, 실제 섭식 행동의 변화를 일으키는지에 대한 명확한 기전은 그동안 밝혀지지 않았다.
연구팀은 초파리를 대상으로 한 실험에서 단백질이 부족한 상황에서 장 상피세포가 'CNMa'라는 펩타이드 호르몬을 분비한다는 점을 확인했다. CNMa는 필수 아미노산 섭취 행동을 조절하는 핵심 신호 물질로 작용한다.
연구에서 밝혀진 가장 중요한 발견은 장-뇌 축이 단일 경로가 아닌 이중 시스템으로 작동한다는 점이다.
단백질이 부족해지면 장은 우선 신경 경로를 통해 뇌에 빠른 신호를 전송한다. 이 신호는 뇌의 특정 뉴런을 자극해 필수 아미노산 섭취를 촉진한다.
기사의 이해를 돕기 위한 자료사진 / gettyimagesBank
이어서 장에서 분비된 CNMa 호르몬이 혈액 순환을 통해 상대적으로 천천히 뇌에 도달한다. 빠른 신경 신호가 즉각적인 반응을 유발하고, 느린 호르몬 신호가 단백질 선호 행동을 지속시키는 이중 구조인 셈이다.
이는 몸이 단순히 전체 음식 섭취량을 증가시키는 것이 아니라, 부족한 영양소를 우선적으로 섭취하도록 행동 패턴을 조정한다는 것을 의미한다.
연구팀은 또한 CNMa 신호가 필수 아미노산 섭취를 늘리는 동시에 탄수화물 섭취와 연관된 뉴런의 활성을 차단한다는 사실도 발견했다.
단백질 결핍 상황에서는 섭식 행동의 우선순위가 필수 아미노산 섭취 쪽으로 이동한다는 설명이다.
이번 연구는 초파리에서 확인된 원리가 생쥐에서도 유사하게 나타난다는 점을 보여줬다. 생쥐 역시 단백질 부족 상황에서 필수 아미노산 섭취 행동을 나타냈다.
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특히 기존에 단백질 결핍 반응의 주요 호르몬으로 알려진 간 유래 호르몬 'FGF21'이 없는 조건에서도 동일한 행동 반응이 유지됐다.
이는 단백질 결핍에 따른 섭식 행동 변화가 기존 FGF21 경로와는 독립적인 장-뇌 축 조절 시스템을 통해서도 가능함을 보여준다.
다만 이번 연구는 초파리와 생쥐 모델을 기반으로 한 기초연구로, 인간에게 직접 적용 가능한 치료법이 개발된 것은 아니다.
연구팀은 장-뇌 축 연구가 영양 불균형, 비만, 대사질환, 식이 행동 장애 연구의 실마리가 될 것으로 전망하고 있다.
서성배 IBS 연구단장은 "비만·식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 이용하지만, 자연적으로 분비되는 장 호르몬이 뇌와 행동에 미치는 영향과 경로는 충분히 연구되지 못했다"며 "이번 연구는 장-뇌의 영양소 선택 원리를 밝힌 것으로, 향후 비만, 대사 질환, 식이 행동 장애 치료 연구에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "새로운 생명 현상 규명 같은 기초연구 성과는 국가 과학기술 경쟁력의 단단한 뿌리가 된다"며 "연구자들이 실패를 두려워하지 않고 독창적·혁신적 연구에 도전할 수 있는 안정적 연구 환경을 구축하는 데 정책적 역량을 집중하겠다"고 밝혔다.