HANALL BIOPHARMA

장이 중요한 대사조절기관으로 작용

-뇌와의 상호작용

 

근래에 장내 미생물과 비만, 대사 이상 간의 상관관계를 밝히는

연구들이 지속적으로 발표되고 있다.

최근 세계적인 학술지인 cell지에 단쇄지방산이 장에서의

당신생(Intestinal gluconeogenesis: IGN)에 영향을 미치며

이는 뇌에 직접 작용하여 대사조절에 영향을 미치는 것을

밝혀낸 논문이 cell지에 발표되었다.

 

섬유질이 많은 음식이 비만과 대사 질환의 예방에 좋다는 것은

이미 잘 알려져 있다.

섬유질은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 cellulose, lignin과 같은

비용해성 섬유 다른 하나는 galacto-oligosaccharides, fructo-oligosaccharides와

같은 용해성 섬유이다.

이중 용해섬 섬유는 장내 미생물에 의해 발효되어

acetate, propionate, butyrate와 같은 단쇄지방산(SCFAs)를 생성한다.

이러한 단쇄지방산들은 히스톤의 아세틸화를 조절하여

후생유전학적인 변화와 단쇄지방산의 수용체인 G-protein-coupled receptors인

FFAR3와 FFAR2에 결합하여 glucagon-like peptide 1(GLP-1)의 분비 조절,

지방합성, 장내 음식물의 배출 시간의 변화 등

다양한 효과를 나타냄으로써 전신적인

에너지 항상성(energy homeostasis)을 조절한다.

 

어떤 면에서 용해성 섬유가 대사적으로 유용한 효과를 나타내는 것은

역설적이기도 하다. 첫째 butyrate가 소장과 대장세포에서

에너지원으로 사용되기 때문이다.

어떻게 에너지를 더 흡수하는 것이 비만과 당뇨병에 좋은 효과를 나타낼 수 있을까?

아직 그 정확한 기전을 밝혀지지 않았지만

최근 연구에서 butyrate가 에너지의 소비를 증가시킨다는 결과들이 밝혀졌다.

둘째 propionate는 전형적인 간에서의 당신생의 기질이다.

간에서의 당신생의 증가는 제2형 당뇨병을 일으키는 인슐린저항성의 원인이다.

아직까지 간에서의 당신생 기질인 propionate가 어떻게 대사적 이익을

가져다 주는지 또한 잘 밝혀지지 않았다.

 

장이 당신생을 하는 기관이라는 사실이 밝혀지기 전에는

propionate가 간의 당신생의 기질로만 생각되었다.

이번 연구에서는 장에서의 당신생(IGN)에 의해 생긴 포도당이 간문맥 내에서

포도당수용체에 의해서 감지되며 이 신호는 말초신경을 통해 뇌로 전달되어

음식물의 섭취와 당 대사에 있어 이로운 효과를 나타낸다는 사실을 밝혀냈다.

이러한 일련의 연쇄 사건들은 단백질 식이 와 gastric bypass surgery 이후의

나타나는 효과들과도 일치하였다.

 

Propionate의 하위 대사체들은 TCA cycle을 통해 소장에서 포도당 합성에 사용된다.

최근 장내 세균총과 비만과 비만 관련 질환의 상관성이 밝혀지면서 SCFA는

새로운 관심을 받고 있다.

비만한 사람에서 얻은 장내 세균총은 마른 사람의 세균총에 비해

음식물로부터 에너지를 흡수하는 능력이 높다.

그리고 몇몇 설치류 연구들에서는 고지방식이가 장내 세균총의 종류에

영향을 미치는 것을 확인하였다.

더욱이 비만한 사람을 대상으로 한 최근 연구에서는

특정한 장내 세균총의 구성이 대사 이상과 연관되어 있음을 보여 주었다.

 

SCFAs와 FOS 투여는 포도당저항성과

인슐린저항성을 개선시킴

 

SCFA와 FOS를 처리한 쥐는 지방흡수에는 영향을 미치지 않음에도

불구하고 체중 증가가 적었다.

또한 인슐린 분비는 증가시키지 않지만 glucose tolerance도 향상시켰다.

식후 16시간 공복 시 혈당 15% 낮추는 효과가 있었다.

인슐린내성 또한 향상되었다.

더욱이 간의 G6Pase 활성도는 오히려 낮았다

이는 gastric bypass surgery 후에 IGN 유도에 의해 혈당이

개선되는 효과와 일치한다.

 

 

SCFAs와 FOS 투여는 장에서의 포도당합성 유전자 발현을

증가시킨다.

propionate, butyrate 또는 FOS 투여 시 장에서 포도당을 생성하여

간문맥으로 보낸다.

혈중 포도당 농도는 동맥보다 간문맥에서 약간 높다.

이는 장에서의 포도상 생성이 장에서의 포도당 사용과 균형을 이룸을 보여 준다.

중요한 것은 propionate가 장에서의 포도당생성을 촉진시키는

가장 강력한 능력을 지녔다는 것이다. 전체 포도당 생성의 23%를 유도한다.

 

 

SCFA와 FOS는 장의 G6Pase 활성과 IGN 유전자의

발현을 증가시킴

 

SCFA와 FOS-enriched diets를 투여한 후 2주 후 jejunum에서

G6Pase의 활성을 2배 증가시키고

phosphoenolpyruvate carboxykinase 또한 증가시켰다.

흥미롭게도 propionate만이 propionate을 포도당으로 변환하는

핵심 효소인 methylmalonyl-coA mutase (Mut)를 증가시켰다.

장내 미생물이 SCFAs를 극적으로 증가시키는 colon에서

G6Pase 활성이 눈에 띄게 증가하였다(정상식이의 jejunum에서 만큼 증가),

정상식이의 결장에서 G6Pase 활성은 관찰되지 않았으며

SCFAs와 FOS 처리 시 결장에서의 Pck1, Mut 발현 변화 패턴은

jejunum에서 관찰된 패턴과 비슷하였다.

 

G6Pase: 당신생을 대표하는 효소.

 

Butyrate는 장세포에 직접 작용하여

IGN Genes 발현을 증가시킨다.

소장세포의 성격을 지닌 Caco-2 세포에서의

 IGN Genes 발현변화 패턴을 관찰하였을 때

Propionate 또는 FFAR2의 agonist인 tiglic acid [TA] 또는

FFAR3 agonist  (1-methylcyclopropanecarboxylicacid [MA]를

 24시간 처리 시 G6PC, PCK1, MUT의 발현 변화는 보이지 않았다.

하지만 Butyrate 처리 시 G6PC와 PCK1는 2~3배 증가하였고

Gi- 와 Gq- 매개성 신호의 억제제인 pertussis toxin과 U73122

모두 butyrate에 대한 counterbalance 효과가 없었다.

이러한 결과는 Butyrate에 의한 G6PC, PCK1의 발현 증가가

Gi- 와 Gq-매개에 의한 것이 아님을 보여준다.

Butyrate에 의한 G6PC와 PCK유전자 발현의 증가는 cAMP에 의해 매개되었다.

 

 

Propionate는 장과 뇌의 신경학적 교류를 통해

IGN genes의 발현을 증가시킨다.

연구진은 장세포(in vitro)에서 Butyrate에 의해서만 IGN genes이 활성화 되기

때문에 propionate에 의한 IGN의 증가가

gut-brain communication axis에 의한 것이라고 가정하였다.

이를 알아보기 위해 SCFAs와 FOS-enriched diet를 2주간 시행하기 전에

capsaicin으로 간문맥 주위의 말초신경절제술을 시행하였다.

그 결과 Propionate 처리시 G6Pase activity와 PCK1 protein expression이

증가하지 않았다.

dietary butyrate와 FOS는 여전히 G6Pase activity를 PCK1 expression를 증가시켰지만

체중증가, 포도당과 인슐린 저항성에 대한 향상은

신경절제에 의해 사라졌기 때문에 이러한 반응이

포도당 향상성의 개선의 충분조건이라고는 할 수 없다.

이러한 결과는 IGN의 유익한 효과와 portal glucose sensing을

전달하는 periportal nervous system이 결정적인 역할을 한다는

사실을 뒷받침한다.

더욱이 capsaicin을 처리한 쥐는 SCFAs 또는 FOS 첨가 시

간에서의 G6Pase activity 억제는 관찰되지 않았으며 오히려 약간 올라갔다.

 

propionate에 의한 IGN 활성화는 FFAR3 signaling 의존적이다.

간문맥에 propionate 투여 시 공장에서 G6Pase activity가 2.5배 증가.

대조적으로 FFAR3의 또 다른 antagonist인 ketone body b-hydroxybutyrate (b-HB)

단일 투여 시 G6Pase 활성이 약간 증가하였다.

 

Propionate의 중추신경에 대한 효과를 확인하기 위해 미주신경 전달부위

dorsal vagal complex (DVC), 척수경로의 전달부위인

1 segment of the spinal cord와 parabrachial nucleus (PBN).

그리고 PBN과 DVC의 신호 전달 부위인 시상하부의 활성 정도를 측정하였다.

Propionate를 먹였을 때 DVC, spinal C1 segment 그리고 PBN의 활성도

2~3배 증가하였다.

흥미롭게도 이러한 활성증가는 capcisin 처리 시 나타나지 않았다.

이러한 결과는 시상하부에서도 비슷하게 나타났다.

이는 Propionate에 의한 IGN 유도 효과는 FFAR3 signaling을 매개로

 gut-brain communication mechanism에 의해 일어난다는 사실을

뒷받침한다.

 

IGN이 SCFA와 FOS에 의한

대사적 이점을 나타내는데 결정적인 역할을 한다.

장의 G6Pase의 catalytic subunit에 결점이 있는 I-G6pc/mice에서는

대사적 이점효과가 나타나지 않았지만 야생형에서는 나타났다.

FOS에 의한 식이에 의한 비만에 대한 저항성을 확인 하기 위하여

야생형과 I-G6pc/mice에 high-fat/high-sucrose (HF-HS) diet를 하고

FOS를 준 그룹과 안준 그룹을 비교하였을 때

야생형 쥐에서 HF-HS diet에 FOS 투여는 음식 섭취에 상관없이

식이에 의한 비만을 상쇄시키고

극적으로 포도당과 인슐린 내성을 개선시켰다.

그리고 유의하게 내장지방과 부정소 그리고 피하지방을 감소시켰다.

대조적으로 HF-HS diet를 준 I-G6pc/mice에 FOS의 투여는

체중이 증가하였으며 당내성에는 변화가 없었고

피하와 내장지방에는 변화가 없었다.

따라서 식이에 의해 유도된 비만에 대한 FOS의 예방효과와

당조절의 개선은 I-G6pc/쥐에서는 나타나지 않았다.

오히려 이 쥐는 FOS 투여 시 체중증가와 인슐린 내성의 악화를 나타냈다.

HF-HS diet에 대한 FOS 투여 시와 비투여 시의 식이와 유전형질간의

연관성을 당 저항성과 인슐린 감수성을 통하여 측정하였을 때

식이와 유전형질간에 강력한 상관관계를 확인하였다.

유전형질이 전체 차이의 50%를 좌우하였다.

이러한 유전형의 강력한 효과는 지방도에서도 확인되었다

(내장 지방에서 29.3% 차이).

이러한 결과는 FOS feeding시 나타나는 대사적 이점의 대부분이

IGN에 의해 나타난다는 것을 의미한다.

더욱이 장의 G6Pase activity는 FOS-fed WT mice에서 나타나는 반면

I-G6pc/mice에서는 잔여의 비특이적인 효과만이 확인되었다.

또한 FOS-fed WT mice에서 간의 포도당 분비 억제를 의미하는,

극적인 liver glucose-6-phosphate (G6P)의 증가와 glycogen 함량의 증가를

동반하는 liver G6Pase activity의 감소를 확인하였다.

 

대조적으로 I-G6pc/mice에서 FOS의 투여는

간에서의 포도당생성 인자에 영향을 미치지 않았다.

FOS feeding에 의해 유도된 이러한 parameters의 변화는

식이와 유전형에 강력한 상관관계가 있었다.

(e.g. 26.94% of total variance, p < 0.0001 for liver G6P content).

종합하여 볼 때, 이러한 결과들은 IGN이 SCFA와 FOS-enriched diets의

대사적 이점에 필수적인 역할을 한다는 것을 강력하게 뒷받침한다.

 

FOS 섭취는 유전형과 관련하여

장내미생물총의 구성을 변화시킨다.

 

식이는 장내미생물의 구성과 발효능력을 결정짓는 주요 요소이다.

야생형과 I-G6pc/mice 에서 HF-HS(high-fat/high-sucrose) diet에

FOS공급이 어떻게 결장의 미생물총에 영향을 미치는지에 대해

알아보기 위하여 세균의 유전형을 분석한 결과

식이가 양쪽형질 모두에서 장내세균총의 생태에

엄청난 영향을 줌을 확인하였다.

다이어트에 의한 영향이 유전형에 대한 영향보다 우세하였다.

(PC= 41% vs. 11%)

Firmicutes와 Bacteroidetes는 결장 내에 가장 풍부한 주요 속이다.

그리고 FOS 공급은 야생형과 I-G6pc/mice 모두에서 유의한

Firmicutes의 감소와 Bacteroidetes의 증가와 연관이 있었다.

Actinobacteria의 양은 I-G6pc/mice에서만 유의하게 증가되었다.

 

식이에 FOS 첨가에 의한 대사적인 결과를 확인하기 위하여

 WT과 I-G6pc/mice의 간문맥과 말초혈액에서 SCFA의 양을 측정하였다.

예측한대로 FOS 투여 후 WT과 I-G6pc/mice의 간문맥에서SCFAs의 농도가 높았다.

이때 식이는 차이의 거의 60%를 나타냈고 유전형질에 의한 차이는 없었다.

Butyrate의 비율은 어떤 그룹에서도 다르지 않았다.

하지만 FOS 공급에 대한 간문맥 혈액에서의 전체 SCFA에 대한

proportions의 기여도는 I-G6pc/mice에서는 증가하였지만

야생형 쥐에서는 증가하지 않았다.

이러한 결과는 propionate가 야생형 쥐의 장에서 gluconeogenesis의 기질로

사용되지만 I-G6pc/mice에서는 그렇지 않다는 가정과 일치한다.

주목할 만하게도 Bacteroidetes의 양은 간문맥혈액의 propionate의 변화와

비례적인 관계가 있었다.

말초혈액에서 유의한 SCFA의 변화는 관찰되지 않았다.

이러한 결과는 대부분의 SCFAs가 간에서 대사된다는 사실과 일치한다.

 

장내미생물의 다당류 발효에 의해서 생성되는 SCFA는 IGN의 자극을 통하여

인슐린 감수성의 그리고 비감수성의 대사적 상태에 있어

다양한 에너지 대사에 다양한 특성들을 개선시킨다. 

이 연구에서의 주요 발견은 propionate가 직접적으로 숙주의 생리에

이익효과를 나타내는 gut-brain neural circuit를 개시한다는 것이다.

SCFAs는 FFAR2 and FFAR3 활성화를 통해 숙주의 지방도 또는

GLP-1 분비를 조절하는 핵심 물질로 여겨져 왔다. (주로 propionate).

이 연구에서는 propionate과 butylate가 서로 다른

그리고 상보적인 과정을 통해 IGN유전자를 활성화 시킴을 보였다.

Butylate는 FFAR2을 통해서가 아니라 cAMP의 증가를 통해

장세포에서 직접적으로 IGN유전자의 발현을 활성화시킴을 밝혀냈다.

FFAR2 비의존적인 butylate에 의한 세포 내 cAMP의 증가는 일찍이 확인되었고

butylate를 에너지의 기질로 사용하여

ATP를 생성하여 증가시킴으로써 이루어 지는 것으로 보인다.

 

대조적으로 propionate는 periportal afferent neural system의

 FFAR3에 agonist로 작용하여 gut-brain neural circuit를 통하여

IGN을 유도함을 보였다.

portal propionate signal의 표적은 ventral vagus nerve의 신호와

1 segment of the spinal cord의 입력신호를 받는 DVC 그리고

dorsal sympathetic ganglions와 척수경로의 입력신호를 전달하는 PBN을 포함한다.

이러한 이중의 신경전달은 단백질 식이에 의해 m-opioid receptors를 통해

시작되는 portal signals에서도 관찰되었다.

 

이러한 결과는 nutrient Signaling의 주요경로로 여겨지는

 vagal pathway에 부가적으로 뇌로의 nutrient Signaling 전달 에서의

 spinal pathway의 핵심 역할에 대해 조명하였다.

식이섬유와 SCFAs의 이익효과는 몇 명 연구들에서 확인되었는데.

이 연구들 모두 식이에 의한 비만에 대한 저항과

에너지 소비의 증가를 보여주었다.

Propionate는 오랫동안 간에서의 포도당신생의 기질로 여겨져 왔다.

하지만 우리는 Propionate가 IGN을 통해 포도당으로 바뀌며

이는 에너지 항상성에 있어 이로운 효과를 나타낸다.

- 동일한 음식 섭취에도 지방도와 체중의 감소,

그리고 간에서의 당신생감소를 포함하는 더 나은 당조절을 통해 확인,

 

이 연구의 의의

결론적으로 연구진은 장내 미생물에 의한 식이섬유의 SCFA로의 발효와

숙주의 IGN을 통한 nutrient sensing을 연결 짓는 기전을 밝혀냈다.

식이섬유다이어트의 결과로 오랫동안 알려져 온 대사적 이점에서

 IGN이 원인으로 작용한다는 것을 보여주었다.

이러한 사실은 SCFA 특히 propionate이 숙주의 대사에

긍정적인 영향을 미치는 데 있어서 핵심 기전을 나타냄을 밝혀낸 것이다.

식이섬유의 포도당조절과 IGN 조절에 있어

긍정적인 효과가 사람에게서도 확인되었으므로

이러한 결과들은 대사질환의 치료와 예방에 있어서

새로운 관점을 열게 될 것이다.

 

[근거]

De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Goncalves D et al.

Microbiota-Generated Metabolites Promote Metabolic Benefits via Gut-Brain Neural Circuits.Cell.

2014 Jan 16;156(1-2):84-96. doi: 10.1016/j.cell.2013.12.016. Epub 2014 Jan 9.