필수 포도당 감지, 섭취 조절 '장-뇌 회로'있었다

작성일 07-09

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 연구팀, 비만과 당뇨 치료 실마리 찾아 
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 [아이뉴스24 정종오 기자] 뇌가 포도당을 선택적으로 인식하는 것으로 파악됐다. 이를 응용하면 비만과 당뇨 등 치료의 단서가 될 것으로 기대된다.
 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 이 질문에서 출발해 뇌가 단순히 총열량(칼로리)을 감지하는 수준을 넘어 특정 영양소, 포도당을 선택적으로 인식할 수 있다는 사실을 입증했다. 이번 연구는 앞으로 식욕 조절과 대사성 질환 치료 전략에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
 KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 서성배 교수 연구팀이 바이오및뇌공학과 박영균 교수팀, 생명과학과 이승희 교수팀, 뉴욕 알버트 아인슈타인 의과대와 협력을 통해 배고픔 상태에서 포도당이 결핍된 동물이 장내의 포도당을 선택적으로 인식하고 선호하도록 유도하는 장-뇌 회로의 존재를 규명했다고 9일 발표했다.
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 <img alt="CRF 뉴런은 다른 영양소와 달리 장내 칼로리를 지닌 포도당에 특이적으로 반응한다. [사진=KAIST]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202507/09/inews24/20250709093209670gout.jpg" data-org-width="580" dmcf-mid="ZoLdhOo9j9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202507/09/inews24/20250709093209670gout.jpg" width="658">
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 CRF 뉴런은 다른 영양소와 달리 장내 칼로리를 지닌 포도당에 특이적으로 반응한다. [사진=KAIST]
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 생물은 당, 단백질, 지방 등 다양한 영양소로부터 에너지를 얻는다. 기존 연구들은 장내 총열량 정보가 시상하부의 배고픔 뉴런(hunger neurons)을 억제함으로써 식욕을 조절한다는 사실을 밝혀왔다. 특정 포도당에 특이적으로 반응하는 장-뇌 회로와 이에 반응하는 특정 뇌세포의 존재는 규명되지 않았다.
 연구팀은 이번 연구를 통해 뇌의 기능에 필수 포도당을 감지하고 필요한 영양소에 대한 섭취 행동을 조절하는 ‘장-뇌 회로’를 밝혀내는 데 성공했다.
 이 회로는 뇌의 ‘스트레스 반응 세포(CRF 뉴런)’가 배고픔이나 외부 자극뿐 아니라 소장에 직접 유입된 특정 열량 영양소에 대해서도 초 단위로 반응한다는 것을 알아냈다. ‘포도당(D-glucose)’에 선택적으로 반응한다는 점을 처음으로 입증했다.
 연구팀은 실시간 뇌 속을 정밀하게 추적할 수 있는 광유전학 기반 신경 활성 조절과 회로 추적 기법을 활용해 포도당(D-글루코스, L-글루코스,) 아미노산, 지방 등 다양한 영양소의 쥐의 소장 내 직접 주입하고 관찰했다.
 그 결과 뇌 시상하부의 ‘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 유입했을 때 반응에 대해 단일 뇌세포 수준에서 어떤 방향성을 유도한다는 것을 처음 확인한 것을 의미한다.
 연구팀은 소장의 포도당 감지 신호가 ‘척수신경’을 거쳐 뇌의 특정 부위(등쪽 외측 팔곁핵, parabrachial nucleus, PBNdl)을 통해 PVN의 CRF 뉴런으로 전달되는 특징적 회로를 밝혀냈다. 아미노산이나 지방 등 기타 영양소는 미주신경(vagus nerve)이란 다른 통로로 뇌에 전달된다는 사실도 확인했다.
 광유전학적 억제 실험에서도 공복 상태의 생쥐에서 CRF 뉴런을 억제하면 동물은 더 이상 포도당을 선호하지 않게 됐다. 이 회로가 영양소 선택에 있어 포도당 특이적 선호를 유도하는 데 필수적임이 드러났다.
 이 연구는 서 교수가 뉴욕대(NYU) 재직 시절 초파리를 모델로 장내 포도당(글루코스)과 당을 선택적으로 감지하는 ‘DH44 뉴런’을 발견했던 점에 착안했다. 포유류에서도 시상하부 뉴런이 포도당 특이적 반응에 있어 기능적 유사성을 보일 것이라는 가설에서 시작됐다.
 이 가설을 입증하기 위해 서 교수 연구팀 김진은 박사(KAIST 박사 졸, 캘리포니아공과대 연수연구원)가 학위과정 중 생쥐 실험을 통해 배고픈 쥐는 장에 주입된 다양한 영양소 중 열량을 지닌 포도당을 선호하며 CRF 뉴런이 빠르고 특이적 반응을 보인다는 사실을 확인했다.
 같은 팀 정원교 연구원(KAIST 학사 졸, 캘리포니아공과대 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 놀라운 발견을 입증했다.
 김진은 박사와 김신혜 박사는 “이번 연구는 ‘우리의 뇌는 어떻게 장내에서 흡수된 다양한 영양소 중 포도당을 구별해내는가?’라는 단순한데 본질 질문에서 시작됐다”며 “이번 연구에서 장-뇌 연결 회로의 핵심 축인 척수신경의 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 “이번 연구는 포도당에 특화된 장-뇌 신호 경로를 규명함으로써 비만·당뇨병 등 대사 질환의 새로운 치료 표적을 제시할 수 있다”며 “앞으로 아미노산, 지방 등 다른 필수 영양소를 감지하는 유사 회로의 존재와 그 상호작용 메커니즘을 밝히는 연구로 확장될 예정”이라고 전했다.
 KAIST 박사과정 김진은 박사, 김신혜 박사, 정원교 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구의 결과(논문명: Encoding the glucose identity by discrete hypothalamic neurons via the gut-brain axis)는 국제 학술지 ‘뉴런(Neuron)’에 지난 6월 20일 온라인으로 실렸다.
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