우리 몸에서 단백질이 부족해지면 장이 이를 감지해 뇌에 신호를 보내고, 부족한 영양소를 우선적으로 섭취하도록 행동을 바꾼다는 사실이 밝혀졌다. 장과 뇌 사이 행동 조절 메커니즘이 국내 연구팀에 의해 처음으로 확인됐다.
과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장 연구팀이 서울대·이화여대 공동 연구진과 함께 장이 영양 결핍 상태를 감지해 뇌의 신경회로를 조절하고, 필수 아미노산을 선택적으로 섭취하도록 만드는 장-뇌 축(gut-brain axis)의 작동 원리를 규명했다고 22일 밝혔다. 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 게재됐다.
장은 단순한 소화기관이 아니라 음식 성분과 영양 상태는 물론 장내 미생물과 병원균 등의 정보를 감지하는 기능을 한다. 장 분비 호르몬을 분비해 식욕과 혈당, 면역 등 전신 대사에도 영향을 준다. 이 때문에 장은 흔히 ‘제2의 뇌’로 불린다.
하지만 지금까지 장에서 생성된 신호가 어떤 경로를 통해 뇌로 전달되고, 실제로 무엇을 먹을지 결정하는 행동으로 이어지는지는 명확히 밝혀지지 않았다.
연구진은 앞서 2021년 국제학술지 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 그보다 한 단계 더 나아가 장과 뇌가 협력해 특정 영양소를 선택하도록 만드는 구체적인 신경·호르몬 경로를 규명했다.
연구 결과 단백질이 부족해지면 장 상피세포가 이를 먼저 감지한 뒤 아세틸콜린을 이용하는 빠른 신경 경로를 통해 뇌에 즉각 신호를 전달하는 것으로 나타났다. 이 신호는 결핍 초기 단계에서 동물이 빠르게 필수 아미노산을 섭취하도록 유도한다.
이후 장에서는 CNMa 호르몬이 분비된다. CNMa는 혈액 순환을 통해 보다 천천히 뇌에 도달해 단백질을 선호하는 행동이 오랜 시간 유지되도록 돕는다. 연구진은 이를 ‘빠른 신경망’과 ‘느린 호르몬’이 함께 작동하는 이중 조절 시스템으로 설명했다.
특히 이번 연구는 장이 단순히 식사량을 늘리게 하는 것이 아니라, 부족한 영양소를 정확히 보충하도록 식단 선택 자체를 조절한다는 점을 보여줬다.
단백질이 부족한 상태에서는 장에서 분비된 CNMa 신호가 필수 아미노산 섭취를 촉진하는 ‘EB R3m 뉴런’을 활성화하는 반면, 탄수화물(포도당) 섭취를 촉진하는 ‘DH44 뉴런’의 활동은 억제했다. 해당 신경세포 기능을 차단하자 필수 아미노산 선호 행동도 사라졌다.
즉 몸은 부족한 단백질을 보충하기 위해 무조건 많이 먹도록 만드는 것이 아니라, 단백질 섭취는 늘리고 탄수화물 섭취는 줄이는 방향으로 식욕을 재조정하는 셈이다.
연구진은 이러한 장-뇌 축 시스템이 초파리뿐 아니라 포유류인 생쥐에서도 유사하게 작동한다는 사실도 확인했다.
특히 단백질 결핍 반응의 핵심 호르몬으로 알려진 간 유래 호르몬 ‘FGF21’이 없는 상태에서도 같은 행동 변화가 나타났다. 이는 기존에 알려진 FGF21 경로와 별개로 작동하는 새로운 장-뇌 조절 시스템이 존재할 가능성을 보여준다.
이 결과는 최근 비만 치료제로 주목받고 있는 GLP-1 계열 약물의 작동 원리를 이해하는 데에도 중요한 단서를 제공한다. 현재 비만·식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 활용하지만, 자연적으로 분비되는 장 호르몬이 어떤 경로를 통해 뇌와 행동에 영향을 미치는지는 충분히 밝혀지지 않았다.
연구진은 이번 연구가 자연 상태의 장 호르몬이 혈액을 통해 뇌에 직접 작용하는 것뿐 아니라 장-뇌 축 신경 경로를 통해서도 식욕과 섭식 행동을 조절할 수 있음을 보여준다고 설명했다.
향후 연구진은 초파리에서 확인된 CNMa 기반 장-뇌 신호 체계가 포유류에서도 존재하는지 규명하고, 장에서 뇌로 전달되는 신호의 세포·분자 수준 작동 원리를 추가로 분석할 계획이다.
서성배 IBS 연구단장은 “비만·식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 활용하지만 자연 분비 장 호르몬이 뇌와 행동에 미치는 영향과 전달 경로는 충분히 연구되지 못했다”며 “이번 연구는 장-뇌가 영양소를 선택하는 원리를 밝힌 것으로 향후 비만, 대사질환, 영양 불균형, 식이 행동 장애 치료 연구의 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.