"뇌는 배고플 때만 칼로리 있는 포도당에 반응…식욕 조절 가능성 제시"

KAIST, 뉴욕대 등과 협업…배부르면 무시하는 장-뇌 특이회로 찾아

공복 상태인 동물의 뇌가 칼로리 있는 포도당을 선택적으로 인식하는 것으로 나타났다. 향후 식욕 조절이나 대사성 질환 치료 전략에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대됐다.

KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 서성배 교수 연구팀이 바이오및뇌공학과 박영균 교수팀, 생명과학과 이승희 교수팀, 뉴욕 알버트 아인슈타인 의과대학과 협력을 통해, 배고픈 상태에 놓인 동물의 뇌는 장내 포도당을 선택적으로 인식, 선호하도록 유도하는 장-뇌 회로 존재를 규명했다고 9일 밝혔다.

KAIST 서성배 교수(왼쪽)와 김진은 박사.

KAIST 김신혜 박사후연구원(왼쪽)과 정원교 연구원.

배고픈 상태에서 칼로리가 있는(통상 1.2킬로칼로리/ml 이상) 포도당을 선호한다는 것이다.

생명과학과 김신혜 박사후연구원은 "기존 연구들은 장내 총열량 정보가 시상하부 배고픔 뉴런(hunger neurons)을 억제함으로써 식욕을 조절한다는 사실을 밝혀 왔으나, 특정 포도당에 특이적으로 반응하는 장-뇌 회로와 이에 반응하는 특정 뇌세포의 존재는 규명되지 않았었다"고 설명했다.

연구팀은 이번에 규명한 장-뇌 회로는 뇌의 ‘스트레스 반응 세포(CRF 뉴런)’가 배고픔이나 외부 자극뿐만 아니라, 소장에 직접 유입된 특정 열량 영양소에 대해서도 초 단위로 반응하며, 특히 ‘포도당(D-glucose)’에 선택적으로 반응한다는 점을 처음 입증했다.

연구팀은 실시간 뇌 속을 정밀하게 추적할 수 있는 광유전학 기반 신경 활성 조절 및 회로 추적 기법을 활용, 포도당(D-글루코스, L-글루코스,) 아미노산, 지방 등 다양한 영양소의 쥐의 소장 내 직접 주입하고 관찰했다.

그 결과, 뇌 시상하부 ‘시상하부 시상핵(PVN) 부위’에 있는 CRF 뉴런 중 D-글루코스(glucose) 포도당에만 선택적으로 반응하며, 다른 당류나 단백질·지방류에는 반응하지 않거나 반대 방향의 반응을 보이는 것을 확인했다.

이는 뇌가 장내 영양소가 유입 시 반응에 대해 단일 뇌세포 수준에서 어떤 방향성을 유도한다는 것을 처음 확인한 것을 의미한다.

스트레스반응세포(CRF) 뉴런이 칼로리가 있는 포도당에 특이적으로 반응하는 과정을 나타낸 그림.(그림=KAIST)

연구팀은 소장의 포도당 감지 신호가 ‘척수신경’을 거쳐 뇌의 특정 부위(등쪽 외측 팔곁핵)을 통해 PVN의 CRF 뉴런으로 전달되는 특징적인 회로도 밝혀냈다.

김신혜 박사후연구원은 "광유전학적 억제 실험에서도, 공복 상태의 생쥐에서 CRF 뉴런을 억제하면 동물은 더 이상 포도당을 선호하지 않았다"며 "이 회로가 영양소 선택에 있어 포도당 특이적 선호를 유도하는 데 필수적"이라고 설명했다.

서 교수 연구팀 김진은 박사(KAIST 박사 졸, 현 캘리포니아공과대학교 연수연구원)가 학위과정 중 생쥐 실험을 통해 배고픈 쥐는 장에 주입된 다양한 영양소 중 열량을 지닌 포도당을 선호하며, CRF 뉴런이 빠르고 특이적인 반응을 보인다는 사실을 확인했다.

또한, 같은 팀 정원교 연구원(KAIST 학사 졸, 현 캘리포니아공과대학교 박사과정)과 함께 실험과 모델링을 통해 CRF 뉴런의 중요성을 규명했다.

김신혜 박사는 협업을 통해 장-뇌 회로 중 특정 척추 신경세포가 장의 정보를 뇌로 전달 한다는 발견을 입증했다.

김진은 박사와 김신혜 박사는 “장-뇌 연결 회로의 핵심 축인 척수신경 역할을 규명하고 장내 특정 영양소를 감지한 후 이를 뇌에 전달하는 척수 기반 신경 회로가 우리 몸의 에너지 대사 조절과 항상성 유지에 핵심적일 것이라는 것을 밝혀냈다”고 말했다.

서성배 교수는 “포도당에 특화된 장-뇌 신호 경로를 규명함으로써, 비만·당뇨병 등 대사 질환의 새로운 치료 표적을 제시할 수 있다”며 “향후 아미노산, 지방 등 다른 필수 영양소를 감지하는 유사 회로의 존재와 그 상호작용 메커니즘을 밝히는 연구로 확장할 예정”이라고 밝혔다.