장이 단백질 부족 감지해 뇌에 신호…“필수 아미노산 선택 섭취 원리 규명”

국내 연구진이 장이 단백질 부족 상태를 감지한 뒤 뇌에 신호를 보내 필수 아미노산을 선택적으로 섭취하게 만드는 ‘장-뇌 축’의 작동 원리를 세계 최초로 규명했다. 이 같은 시스템이 초파리뿐 아니라 포유류에서도 동일하게 작동한다는 사실도 확인돼 비만과 대사질환, 식이장애 치료 연구에 새로운 단서가 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장 연구팀이 서울대학교·이화여자대학교 공동 연구진과 함께 장-뇌 간 섭식 행동 조절 원리를 규명했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 학술지 사이언스(Science)에 5월 22일 온라인 게재됐다.

장-뇌 축은 장과 뇌가 신경, 호르몬, 면역 신호 등을 통해 정보를 주고받는 생리적 연결 체계다. 

장은 단순한 소화기관을 넘어 영양 상태와 음식 성분, 미생물, 병원균 등 다양한 정보를 감지하고, 장 호르몬을 통해 혈당·식욕·면역 등 전신 대사를 조절하는 기관으로 알려져 있다.

그동안 장에서 만들어진 신호가 어떤 경로를 통해 뇌에 전달되고, 실제로 ‘무엇을 먹을지’라는 행동 선택으로 이어지는지는 명확히 밝혀지지 않았다. 연구진은 앞서 2021년 네이처(Nature)에 발표한 연구에서 초파리가 단백질 결핍 상태가 되면 장에서 ‘CNMa’라는 펩타이드 호르몬이 분비돼 단백질 음식을 선호하게 된다는 사실을 확인한 바 있다.

이번 연구에서는 CNMa 신호가 뇌로 전달되는 구체적 경로와 새로운 신경회로의 역할, 영양소 선택 원리를 추가로 밝혀냈다. 연구팀은 장-뇌 축이 단일 경로가 아니라 빠른 신경 경로와 느린 호르몬 경로를 함께 사용하는 정밀 조절 시스템이라는 점을 확인했다.

단백질이 부족해지면 장 상피세포가 먼저 이를 감지

단백질이 부족해지면 장 상피세포가 먼저 이를 감지한다. 이후 장-뇌 신경 경로를 통해 빠르게 뇌에 신호를 보내 필수 아미노산 섭취를 유도한다. 뒤이어 장에서 분비된 CNMa 호르몬은 순환계를 타고 뇌에 도달해 단백질 선호 행동이 지속되도록 돕는다.

연구진은 또 장 유래 CNMa 신호가 필수 아미노산 섭취를 촉진하는 동시에, 탄수화물인 포도당 섭취를 촉진하는 DH44 뉴런의 활성을 억제한다는 사실도 밝혀냈다. 이는 동물이 부족한 영양소를 채우기 위해 단순히 전체 식사량을 늘리는 것이 아니라, 필요한 영양소를 선택하고 불필요한 영양소 섭취는 줄이는 선택적 섭식 행동 메커니즘을 보여준다.

특히 연구진은 이 시스템이 초파리를 넘어 포유류인 생쥐에서도 동일하게 작동한다는 점을 확인했다. 기존에 단백질 결핍 반응의 핵심 호르몬으로 알려진 간 유래 호르몬 FGF21이 없는 상태에서도 같은 행동 반응이 유지돼, 이번에 밝혀진 장-뇌 축 시스템이 기존 호르몬과 독립적으로 작동하는 대안적 조절 체계임을 입증했다.

서성배 IBS 연구단장은 “비만과 식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 활용하지만, 자연적으로 분비되는 장 호르몬이 뇌와 행동에 미치는 영향과 경로는 충분히 연구되지 못했다”며 “이번 연구는 장-뇌의 영양소 선택 원리를 밝힌 성과로, 향후 비만, 대사질환, 식이행동장애 치료 연구의 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “새로운 생명 현상의 규명과 같은 기초연구 성과는 국가 과학기술 경쟁력의 단단한 뿌리”라며 “연구자들이 독창적이고 혁신적인 연구에 도전할 수 있도록 안정적인 연구 환경 조성에 정책 역량을 집중하겠다”고 밝혔다.