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KAIST 연구팀이 뇌가 포도당을 선택적으로 인식할 수 있다는 사실을 입증했다. 게티이미지뱅크 제공

KAIST 연구팀이 뇌가 포도당을 선택적으로 인식할 수 있다는 사실을 입증했다. 향후 식욕 조절·대사성 질환 치료 전략에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 서성배 생명과학과 교수 연구팀이 박영균 바이오및뇌공학과 교수팀, 이승희 생명과학과 교수팀, 미국 뉴욕 알버트 아인슈타인 의과대의 협력을 통해 배고픔 상태에서 포도당이 결핍된 동물이 장내의 포도당을 선택적으로 인식하고 선호하도록 유도하는 '장-뇌 회로'의 존재를 규명했다고 9일 밝혔다. 

생물은 당, 단백질, 지방 등 다양한 영양소로부터 에너지를 얻는다. 장에서 감지한 총 열량이 뇌 시상하부의 배고픔 뉴런(hunger neurons)을 억제함으로써 식욕을 조절한다는 사실은 기존에 밝혀졌다. 하지만 특정 포도당에 특이적으로 반응하는 장-뇌 회로와 이에 반응하는 특정 뇌세포의 존재는 규명되지 않았다.

연구팀은 뇌의 기능에 필수적인 포도당을 감지하고 필요한 영양소에 대한 섭취 행동을 조절하는 장-뇌 회로를 밝혀내는 데 성공했다. 

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

그 결과 뇌 시상하부의 ‘시상하부 시상핵(PVN) 부위’에 있는 CRF 뉴런이 D-글루코스 포도당에만 선택적으로 반응하며 다른 당류나 단백질·지방류에는 반응하지 않거나 반대 방향의 반응을 보이는 것을 확인했다. CRF 뉴런은 스트레스 반응을 유도하는 뉴런이다. 결과는 뇌가 장내 영양소가 유입 시 반응에 대해 단일 뇌세포 수준에서 어떤 방향성을 유도한다는 것을 의미한다.

연구팀은 또 소장의 포도당 감지 신호가 ‘척수신경’을 거쳐 뇌의 특정 부위를 통해 PVN의 CRF 뉴런으로 전달되는 특징적인 회로를 밝혀냈다. 장-뇌 회로다. 반면 아미노산이나 지방 등 기타 영양소는 미주신경(vagus nerve)이란 다른 통로로 뇌에 전달된다는 사실도 확인했다. 미주신경이란 감각, 운동, 자율신경 조절까지 담당하는 신경이다. 

연구팀은 광유전학적 억제 실험에서도 공복 상태의 생쥐에서 CRF 뉴런을 억제하면 동물은 더 이상 포도당을 선호하지 않고 이 회로가 영양소 선택 시 '포도당 특이적 선호'를 유도하는 데 필수라는 사실도 밝혀냈다. 

이번 연구는 서 교수가 미국 뉴욕대 재직 시절 초파리를 모델로 장내 포도당과 당을 선택적으로 감지하는 ‘DH44 뉴런’을 발견했던 점에 착안해 포유류에서도 시상하부 뉴런이 포도당 특이적 반응에 있어 기능적 유사성을 보일 것이라는 가설에서 시작됐다. 

가설을 입증하기 위해 서 교수 연구팀 김진은 미국 캘리포니아공과대 연수연구원이 KAIST 박사과정 중 생쥐 실험을 통해 배고픈 쥐는 장에 주입된 다양한 영양소 중 열량을 지닌 포도당을 선호하며 CRF 뉴런이 빠르고 특이적인 반응을 보인다는 사실을 확인했다. 

또 정원교 미국 캘리포니아공과대 박사과정생과 함께 실험과 모델링을 통해 CRF 뉴런의 중요성을 규명했다. 김신혜 KAIST 박사후연구원은 협업을 통해 장-뇌 회로 중 특정 척추 신경세포가 장의 정보를 뇌로 전달 한다는 놀라운 발견을 입증했다.

서 교수는 “연구는 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 확장될 예정이다”고 밝혔다.

연구 결과는 국 학술지 ‘뉴런(Neuron)’에 6월 20일 온라인 게재됐다. 

<참고자료>
-https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.05.024)
 

[이채린 기자 rini113@donga.com]

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