KAIST, 포도당만 선택적 감지하는 ‘장-뇌 회로’ 찾아
척수신경세포가 배고픔 상황서 포도당에만 반응

KAIST는 장내 포도당을 선택적으로 인식하고 선호하도록 유도하는 ‘장-뇌 회로’를 찾아냈다. KAIST 제공

국내 연구진이 척추 신경세포가 다양한 영양소 중 포도당만을 선택적으로 인식해 뇌에 전달한다는 사실을 밝혀냈다. 앞으로 비만과 당뇨병 등 식욕 조절 및 대사성 질환 치료에 새로운 전략으로 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 서성배 생명과학과 교수 연구팀이 뉴욕 알버트 아인슈타인 의대와 협력해 배고픔 상태에서 포도당이 결핍된 동물이 장내 포도당을 선택적으로 인식하도록 유도하는 ‘장-뇌 회로’의 존재를 규명했다고 9일 밝혔다.

생물은 당, 단백질, 지방 등 다양한 영양소로부터 에너지를 얻는다. 기존 연구들은 장내 총열량 정보가 뇌 시상하부의 ‘배고픔 뉴런’을 억제해 식욕을 조절한다는 사실을 밝혀왔으나, 특정 포도당에 특이적으로 반응하는 장-뇌 회로와 이에 반응하는 특정 뇌세포의 존재는 알려지지 않았다.

연구팀은 배고픔 상태에서 뇌의 기능에 필수적인 포도당을 감지하고, 필요한 영양소에 대한 섭취행동을 조절하는 ‘장-뇌 회로’를 찾아냈다. 이 회로는 뇌의 스트레스 반응 세포가 배고픔이나 외부 자극뿐 아니라, 소장에 직접 유입된 특정 열량 영양소에 초 단위로 반응하며, 포도당에 선택적으로 반응했다.

연구팀은 쥐의 소장에 포도당(D-글루코스, L-글루코스), 아미노산, 지방 등 다양한 영양소를 주입한 뒤 광유전학 기반 신경 활성 조절·회로 추적 기법을 활용해 뇌 속을 정밀하게 관찰했다.

그 결과, 뇌의 시상하부 시상핵 부위에 있는 ‘CRF 뉴런’ 중 D-글루코스 포도당에만 선택적으로 반응하며, 다른 당류나 단백질, 지방류에는 반응하지 않거나 반대 방향으로 반응하는 것을 확인했다. 이는 뇌가 장내 영양소 유입 시 단일 뇌세포 수준에서 특정한 방향성을 유도함을 의미한다고 연구팀은 설명했다.

CRF 뉴런은 시상하부에서 부신피질호르몬 방출인자(CRF)를 분비하는 뉴런으로, 다양한 스트레스 자극에 반응해 코르티솔 분비를 유도하고 생리·대사 균형을 유지하는 신경 내분비 조절에 중추적 역할을 담당한다.

연구팀은 또 소장의 포도당 감지 신호가 척수신경을 거쳐 뇌의 시상하부 시상핵 내 CRF 뉴런으로 전달되는 회로를 확인했다. 반면 아미노산이나 지방 등 다른 영양소는 미주신경이라는 다른 통로를 사용하는 것으로 나타났다.

특히 공복 상태인 생쥐에서 CRF 뉴런을 억제하면 더 이상 포도당을 선호하지 않는 것으로 나타나 이 회로가 포도당 특이적 선호를 유도하는 데 필수적임을 입증했다.

이번 연구에 참여한 김진은·김신혜 KAIST 박사는 “이번 연구는 ‘우리의 뇌는 어떻게 장내에서 흡수된 다양한 영양소 중 포도당을 구별해 내는가’라는 질문에서 시작됐다”며 “장-뇌 연결 회로의 핵심 축인 척수신경의 역할을 규명하고, 장내 특정 영양소를 감지한 후 이를 뇌에 전달하는 척수 기반 신경회로가 우리 몸의 에너지 대사 조절과 항상성 유지에 핵심적임을 밝혀냈다”고 말했다.

서성배 KAIST 교수는 “앞으로 아미노산, 지방 등 다른 필수 영양소를 감지하는 유사 회로에 대한 연구를 이어 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘뉴런(지난달 20일자)’ 온라인판에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

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