단백질이 부족해지면 장(腸)이 먼저 이를 감지하고, 뇌에 신호를 보내 “필수 아미노산을 우선 섭취하라”는 행동 변화를 유도한다는 연구 결과가 나왔다. 과학기술정보통신부는 22일, 기초과학연구원(IBS) 마이크로바이옴-체-뇌 생리학 연구단 서성배 단장 연구팀이 서울대·이화여대 공동연구팀과 함께 장과 뇌가 주고받는 ‘장-뇌 축’의 작동 원리를 국제학술지 사이언스에 발표했다고 밝혔다. 이 발견은 비만과 대사질환, 식이 행동 장애의 치료 전략을 넓힐 수 있는 단서로 주목받는다.
“고기가 당기는” 이유, 장이 먼저 감지했다
사람이 고기나 단백질 식품을 갑자기 찾게 되는 현상은 누구나 한 번쯤 경험하지만, 생체 내부에서 그 신호가 어떻게 만들어지는지는 오래 미스터리였다. 이번 연구는 단백질 결핍 상태에서 장이 ‘필수 아미노산’ 부족을 인식하고, 이를 뇌의 신경세포와 연결해 섭식 우선순위를 바꾼다는 점을 구체적으로 밝혀냈다.
연구진은 장이 음식 속 필수 아미노산이 부족하다는 조건을 감지하면 펩타이드 호르몬 CNMa를 분비한다는 점에 더해, 이 신호가 뇌로 전달되는 경로가 단일하지 않다는 사실을 확인했다. 장-뇌 축이 빠르게 작동하는 ‘신경 경로’와, 비교적 느리지만 오래 지속되는 ‘호르몬 경로’를 함께 운용해 행동을 정교하게 조정한다는 설명이다.
신경 경로로 “즉각 신호”, 호르몬으로 “지속 유지”
이번 성과의 핵심은 장에서 만들어진 신호가 뇌까지 도달하는 방식과, 뇌에서 실제로 어떤 뉴런이 활성화돼 행동이 바뀌는지까지 추적했다는 점이다. 연구에 따르면 장 상피세포가 단백질 부족을 감지하면 먼저 뇌에 빠른 신호를 보내는데, 이 과정에서 신경전달물질 아세틸콜린이 이용된다. 뇌에서는 특정 신경세포인 R3m 뉴런이 활성화되며, 그 결과 필수 아미노산 섭취가 유도된다.
이와 동시에 장이 분비한 CNMa 호르몬은 순환계를 통해 뇌로 전달돼 느린 경로로 작동한다. 연구진은 이 호르몬 신호가 단백질 선호 행동이 단발성이 아니라 일정 시간 지속되도록 돕는 역할을 한다고 밝혔다. 즉, “빨리 먹어야 할 것”과 “계속 먹게 만들 것”을 서로 다른 속도의 생체 경로로 분업해 조절한다는 셈이다.
식사량을 늘리는 대신, ‘선택’을 바꾼다
특히 연구진은 단백질 결핍 반응이 전체 식사량 증가로만 이어지는 것이 아니라, 어떤 영양소를 우선 선택하도록 행동을 설계한다는 점을 확인했다. CNMa 신호는 뇌에서 동시에 작동하는 탄수화물 섭취를 담당하는 신경세포인 DH44 뉴런의 활성을 억제한다. 그 결과 동물은 “더 많이 먹기”가 아니라 “탄수화물보다 필수 아미노산을 먼저 찾기”라는 방향으로 섭식 전략이 바뀐다.
연구진은 이러한 장-뇌 축 시스템이 초파리뿐 아니라 포유류인 생쥐에서도 유사하게 나타난다는 점을 검증했다. 또 기존에 단백질 결핍 반응을 설명하는 핵심 호르몬으로 알려져 있던 간 유래 호르몬 FGF21이 없는 생쥐에서도 같은 행동 반응이 유지돼, 이번 메커니즘이 독립적인 조절 시스템일 가능성을 시사했다.
비만·대사질환 치료의 ‘새 표적’ 가능성
논평에서 스티븐 심프슨, 데이비드 로벤하이머 교수(호주 시드니대)는 “장이 단백질 식욕 조절의 핵심 통제 거점 역할을 한다”면서, 비만을 이해하는 데 중요한 단서가 될 수 있다고 평가했다. IBS 서성배 단장은 “비만 치료나 식욕 조절 약물 대부분은 장 호르몬 신호를 활용하지만, 자연적으로 분비되는 장 호르몬이 뇌와 행동에 미치는 영향 및 경로는 충분히 연구되지 못했다”고 설명했다.
이번 연구는 최근 비만 치료제로 주목받는 GLP-1 계열과의 연결 가능성도 제시했다. GLP-1 작용제는 비교적 안정적인 형태로 개발돼 뇌의 수용체에 직접 작용할 수 있지만, 연구진은 실제 체내 장 신호가 신경 경로를 통해 뇌에 조절을 전달하는 방식이 공존할 수 있다는 관점을 덧붙였다. 이는 향후 약물 설계에서 “어떤 경로(신경/호르몬)를 표적으로 삼을지”를 더 정밀하게 고민하게 만들 수 있는 대목이다.
사람 대상 적용까지, 다음 관건
연구는 동물 모델과 생체 신호 경로에 초점을 맞췄다. 다음 단계에서는 인간에서 단백질 결핍 시 CNMa 신호가 실제로 어떻게 작동하는지, 그리고 이 신호를 조절할 경우 체중·식이 선택·대사 지표가 어떤 방식으로 변하는지 확인이 필요하다. 또한 특정 영양소 결핍 반응이 개인별 미생물 구성, 식습관, 생활환경과 어떤 상호작용을 하는지도 중요한 과제가 될 전망이다.
이번 발견이 임상으로 이어진다면, 단순히 식욕을 억제하는 접근을 넘어 ‘무엇을 더 먹게 할지/덜 먹게 할지’를 정교하게 조절하는 치료 전략이 가능해질 수 있다. 즉, 비만과 식이 행동 장애를 둘러싼 문제를 “칼로리 총량”이 아니라 “영양소 선택의 뇌-장 회로” 관점에서 다시 해석하게 만들 가능성이 크다.
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