오양균 교수 공동연구팀, 단백질 결핍 신호의 두 가지 경로 규명
오양균 교수
생명과학과
세계적 학술지 <Science> 게재
비만·대사질환 치료의 새로운 전략 제시
소화기관인 장(腸)이 뇌의 신경회로를 움직여 몸에 부족한 영양소를 찾아 먹도록 유도한다는 사실이 밝혀졌다.
생명과학과 오양균 교수 공동연구팀은 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학연구단 서성배 단장(광주과학기술원), 이원재 교수(서울대) 연구팀과의 공동연구를 통해 체내 단백질 부족 신호를 감지한 장이 뇌의 신경회로를 바꿔 필수 아미노산을 우선 선택하도록 행동을 조절하는 원리를 규명했다. 이번 연구 결과는 과학계 최고 권위 학술지인 <Science>에 지난 5월 22일(금) 오전 3시(한국시각) 온라인 게재되면서 우수성을 입증했다.
장은 소화기관이면서 다양한 호르몬을 분비해 혈당·식욕·면역·대사 등 전신 기능을 조절하는 것으로 알려져 있다. 그러나 장 호르몬 신호가 어떻게 뇌에 도달해 특정 음식을 선택하도록 유도하는지는 그간 베일에 싸여 있었다. 연구진은 앞서 2021년 <네이처(Nature)>에 발표한 연구에서 단백질 결핍 시 장에서 분비되는 'CNMa' 펩타이드 호르몬이 단백질 섭취를 유도한다는 사실을 밝혔으나, 구체적인 전달 경로와 뇌 신경회로 조절 메커니즘은 규명되지 않았다. 이어진 이번 연구에서는 영양소 부족 신호의 전달 경로뿐만 아니라 새로운 신경회로의 역할, 영양소 선택 원리 등 장-뇌 간 섭식 행동 조절 원리와 과정이 추가로 밝혀졌다.
필수 아미노산 결핍에 대한 장-뇌 축의 신경 및 호르몬 반응의 조절 메커니즘
공동연구팀은 단백질이 부족할 때 장이 ‘빠른 신경망’과 ‘느린 호르몬 신호’를 동시에 가동해 영양 결핍에 정밀하게 대응한다는 새로운 개념을 제시했다. 장에서 단백질 부족을 감지하면 먼저 장-뇌 신경 경로를 통해 빠르게 뇌로 신호를 전달해 즉각적인 필수 아미노산 섭취를 유도한다. 이와 동시에 분비된 CNMa 호르몬은 순환계를 타고 느리게 뇌에 도달해 단백질을 찾는 행동을 지속시킨다. 즉, 신경 경로와 호르몬 경로를 동시에 사용하는 협력 메커니즘을 통해 단백질 결핍 상황에 효과적으로 대응한다는 것이다.
나아가 연구진은 CNMa 신호가 단순히 단백질 섭취를 촉진하는 데 그치지 않고, 동시에 탄수화물 섭취를 억제한다는 사실도 밝혀냈다. CNMa가 포도당 섭취를 촉진하는 뇌 속 DH44 뉴런의 활성을 억제함으로써, 동물이 부족한 필수 아미노산을 우선적 선택하고 탄수화물 섭취를 배제하는 선택적 섭식 행동 메커니즘을 규명한 것이다.
연구진은 초파리에 이어 생쥐 실험을 통해 이러한 메커니즘이 포유류에서도 작동한다는 점을 확인했다. 실험 결과 기존 단백질 결핍 반응의 핵심 호르몬인 FGF21이 없는 상태에서도 동일 행동이 유지됐다. 이는 포유류에서도 기존 조절 경로와 별개로 독립적인 장-뇌 축* 시스템에 의해 필수 아미노산 섭취 행동이 조절될 수 있음을 보여준다. * 장-뇌 축(gut-brain axis): 장과 뇌가 신경, 호르몬, 면역 신호 등을 통해 서로 정보를 주고받는 생리적 연결 체계
이러한 발견은 최근 전 세계적으로 주목받는 위고비를 비롯한 식욕 조절 약물의 원리를 이해하는 데도 중요한 단서를 제공한다. 위고비의 핵심 성분인 세마글루타이드는 장 호르몬 GLP-1의 작용을 모방해 식욕을 떨어뜨리는 약물이다. 자연 분비되는 GLP-1은 체내에서 빠르게 분해돼 뇌에 직접 도달하기 힘든 만큼, 순환계가 아닌 신경 경로를 이용할 가능성이 크다는 게 연구팀의 분석이다. 반면 인공 약물인 위고비는 체내 지속 시간을 늘려 설계됐으므로 뇌에 직접 작용할 수 있다.
오양균 교수는 “특정 영양소가 부족할 때 장이 이를 감지해 필요한 음식을 찾도록 뇌를 조절하는 기전을 밝혀냄으로써 차세대 식욕 조절 치료 전략 개발에 중요한 기반이 될 것”이라면서 “이번 연구가 비만·대사질환·섭식 장애 치료에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.
이번 연구는 △한국연구재단 한우물파기 기초연구 사업 △이화여자대학교 멀티태스킹 대식세포 연구센터 △이화여자대학교 바이오이미징 데이터 품질선도센터 △이화여자대학교 형광코어이미징분석센터 등의 지원을 받아 수행한 성과다. 연구 논문은 「필수 아미노산 결핍에 대한 신경 및 호르몬 장-뇌 반응의 복잡한 상호작용(Complex interplay of neuronal and hormonal gut-brain responses to essential amino acid deficit)」이라는 제목으로 <Science> 온라인판에 게재됐으며, 제1저자 김보람 박사(서울대 기초과학연구원 선임연구원), 공동제1저자 이성주 박사(예일대 박사후 연구원)가 참여했다.