장내세균-장-뇌 축(microbiome-gut-brain axis) 상호작용 최초로 규명
KAIST 생명과학과 서성배 교수 연구팀과 서울대학교 생명과학부 이원재 교수 연구팀이 동물의 식습관을 조절하는 원리를 공동으로 밝혀냈다.
7일 KAIST와 서울대에 따르면 서성배 교수 연구팀 등이 규명한 원리는 동물이 체내 단백질 및 필수아미노산 부족을 감지하는 장세포와 필수아미노산을 섭취하도록 섭식행동을 조절하는 구체적인 행동이다.
동물은 수분이 부족하면 갈증을 느끼고 물을 마신다. 또 혈당량이 떨어지면 당을 찾아 먹는다. 음식을 통해 섭취하는 필수 영양소가 부족하면 행동 변화가 생긴다.
단백질은 20여종의 아미노산으로 이뤄져 있는데 그중 10개의 아미노산은 우리 몸이 합성하지 못하는 필수 아미노산(Essential Amino Acids· EAA)이다. 이는 음식물이나 장내세균을 통해서만 보충된다.
인체는 EAA의 체내 결핍을 본능적으로 인지하고, 결핍된 EAA를 선호하도록 식성을 바꿔 EAA를 더 많이 섭취할 수 있게 유도한다.
'EAA 결핍 인지'와 'EAA를 선호하는 식성으로 변화 유도' 현상은 사람뿐만 아니라 대부분 동물에서 관찰된다.
하지만 그동안 학계에서는 '생체가 어떻게 체내의 EAA 결핍을 인지하는가?'와 '인지 후 어떻게 EAA를 선호하는 식성을 유도하는가?'라는 근본적인 물음에는 답을 내놓지 못했다.
서성배 교수 공동연구팀의 연구결과는 이 질문에 대한 최초의 명쾌한 해답이다. 연구팀은 논문을 통해 두가지 물음에 대한 해답을 분자적 수준에서 설명했고, 장내세균-장-뇌 축(microbiome-gut-brain axis)의 상호작용이 작용한다는 것을 최초로 증명했다.
연구진은 초파리에 다양한 EAA 결핍 상황을 유도해 초파리의 생리학적 변화를 분자생물학적 기법으로 조사했다. 연구 결과 EAA 결핍 상황에서 초파리의 장 호르몬 중 하나인 CNMa 호르몬이 장 상피세포(enterocytes)에서 분비되는 사실을 알아냈다. 상피세포가 EAA를 흡수하면서 결핍 여부를 감지한다는 사실도 밝혀냈다.
공동연구팀은 CNMa 호르몬이 발현되는 과정에서 기존에 세포 내 아미노산 센서로 잘 알려진 Gcn2와 Tor 효소들이 관여한다는 사실도 증명했다. 분비된 CNMa 호르몬은 수용체가 발현하는 장 신경세포(enteric neuron)를 활성화해서 뇌로 신호를 보냈고, EAA를 선호하는 식성을 가지도록 유도한다는 사실도 밝혀냈다.
제1 저자인 KAIST 김보람 박사는 "이번 연구 결과는 장내미생물에서 동물의 장, 그리고 뇌로 이어지는 장내미생물-장-뇌 축을 통해 아미노산 결핍이 일어난다는 사실을 처음으로 밝혔다는데 큰 의미가 있다"며 "초파리 뿐만 아니라 사람을 포함한 척추동물도 장내미생물과 동물의 식습관이 장-뇌 축을 통해 조절된다면 미생물 섭취라는 방법으로 현대인의 불균형한 식습관으로 인한 만성 질병을 개선할 수 있을 것"이라고 말했다.
KAIST 서성배 교수는 "영양소에는 탄수화물, 단백질, 지방 같은 거대영양소뿐 아니라 비타민, 아연, 소금 등 소량영양소가 존재하는데 그 센서들을 규명하고 섭식행동에 미치는 영향 관련 연구는 더욱 증폭될 것으로 예상된다"고 말했고, 서울대학교 이원재 교수는 "사람에게 존재하는 유사한 경로를 발견하는 초석이 되는 연구이며 비만-당뇨와 같은 중요한 대사질환을 치료할 수 있는 획기적인 치료법이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처(Nature)' 5월 5일자 온라인판에 게재됐다.
