영장류의 장내 미생물과 대사 경로: 뇌와 몸의 에너지 분배

The primate gut microbiota contributes to interspecific differences in host metabolism (2024)

https://doi.org/10.1099/mgen.0.001322

 

이번 연구는 영장류의 장내 미생물군(Gut Microbiota, GM)이 숙주의 에너지 대사와 뇌 발달에 어떻게 기여하는지 분석한 내용이다. 특히, 뇌 크기가 체중 대비 상대적으로 큰 종(고EQ; Encephalization quotient, 높은 뇌화 지수)과 작은 종(저EQ) 간의 대사 차이를 초점으로 다뤘다. 연구는 고EQ 영장류의 장내 미생물이 에너지 생산과 사용을 촉진하며, 뇌 발달을 위해 필요한 대사적 변화를 유도한다는 것을 밝혔다.

 

연구 배경

1. 뇌의 에너지 요구

   • 뇌는 포도당을 주요 에너지원으로 사용하는 고비용 기관이다. 신경 신호 전달, 시냅스 형성, 정보 처리와 같은 과정에서 많은 에너지를 소비한다.
   • 영장류 중에서도 인간은 가장 높은 뇌화 지수를 가지며, 이를 유지하기 위해 높은 에너지 소비가 필수적이다.

2. 장내 미생물의 대사적 역할

   • 장내 미생물은 단쇄지방산(SCFAs)과 같은 대사 산물을 생성하여 숙주의 에너지 대사를 조절한다.
   • SCFAs는 간에서 포도당 신생합성, 지방 합성 억제, 식욕 조절, 면역 반응 등 다양한 대사 과정을 조절한다.
   • 이러한 대사적 변화가 뇌 에너지 소비와 관련되어 있는지는 아직 명확하지 않았다.

3. 연구 목적

   • 본 연구는 장내 미생물이 영장류 종 간의 대사 차이를 유도하며, 특히 뇌의 에너지 요구와 관련된 대사적 특성을 어떻게 형성하는지 알아보기 위해 설계되었다.

 

연구 방법

1. 실험 모델

   • 인간, 다람쥐원숭이(고EQ), 마카크원숭이(저EQ)의 장내 미생물을 무균 생쥐에 이식
   • 각 미생물군은 종당 5명(또는 개체)으로부터 얻은 샘플을 혼합하여 실험에 사용

2. 생쥐 유지 및 관찰

   • 생쥐는 무균 환경에서 60일 동안 유지되었으며, 표준 사료를 자유롭게 섭취하도록 했다.
   • 주간 단위로 체중, 체지방, 혈액 성분, 식사량을 측정했다.
   • 30일과 60일째에는 포도당 내성 검사를 통해 혈당 조절 능력을 분석했다.

3. 생체 데이터 수집

   • 혈액: 포도당, 지방, 콜레스테롤 등 대사 관련 지표를 측정
   • 간: RNA 시퀀싱을 통해 대사 관련 유전자 발현을 분석
   • 장내 미생물: 16S rRNA 시퀀싱으로 미생물 조성을 확인
   • 체지방: MRI로 생쥐의 체지방 비율 측정

 

연구 결과

1. 장내 미생물군과 대사 변화

   • 고EQ 미생물군 이식 생쥐

     • 체지방 감소: 체지방 비율이 저EQ 이식 생쥐보다 유의미하게 낮음
     • 에너지 소비 증가: 식사량은 더 많았지만 체중 증가는 제한적
     • 포도당 신생합성 촉진: ALT, ALP(간 효소)와 혈당 수치 상승
     • 지방 합성 억제: 낮은 콜레스테롤 농도와 높은 중성지방 농도를 보여 지방 저장보다는 에너지 사용에 집중

   • 저EQ 미생물군 이식 생쥐

     • 체지방 축적: 지방 저장을 촉진하며 체중 증가가 더 컸음
     • 포도당 생산 감소: 혈당 및 간 대사 효소 수치가 낮음

2. 단쇄지방산(SCFAs)의 역할

   • 고EQ 미생물군에서 생성된 SCFAs(아세테이트, 프로피오네이트, 뷰티레이트)의 농도가 저EQ 미생물군보다 높았다.
   • 아세테이트와 프로피오네이트는 간에서 포도당 신생합성을 촉진하고 지방 합성을 억제
   • 뷰티레이트는 장내 세포의 에너지 공급원으로 사용되어 다른 에너지 자원을 뇌로 전달

3. 간 유전자 발현

   • 고EQ 미생물군 이식 생쥐의 간에서 에너지 생산과 대사 조절 관련 유전자(Fabp5, Fasn 등)가 활성화되었다.
   • 아미노산 대사, 지방산 대사, 포도당 대사 관련 유전자의 발현 증가

4. 인간 미생물군의 독특성

   • 인간 미생물군 이식 생쥐는 다람쥐원숭이보다 더 높은 포도당 생산과 지방 합성 억제 효과를 보였다.
   • 이는 인간 뇌의 높은 에너지 요구를 뒷받침하는 대사적 적응을 시사

 

 

고EQ와 저EQ 영장류 미생물군이 대사 경로에 미치는 차이점

• 고EQ 영장류 미생물군이 유도한 경로

  • 포도당 신생합성과 에너지 생산 경로 활성화
    • 피루브산(Pyruvate)의 생합성과 발효 과정 증가
    • 아미노산(시트룰린, 이노신, 트레오닌 등) 생합성 경로 활성화
    • 글리코겐 분해 및 갈락토스 대사를 통해 포도당 신생합성 지원
  • 단쇄지방산(SCFAs) 생성 증가
    • 아세테이트, 프로피오네이트, 뷰티레이트 농도가 높아짐
    • 이러한 SCFAs는 간에서 에너지 생산을 촉진

• 저EQ 영장류 미생물군이 유도한 경로

  • 에너지 저장 경로 활성화
    • 피루브산의 뷰티레이트 발효와 글루타메이트의 프로피오네이트 발효 경로 증가
    • 글리코겐 합성 경로 강화
    • 지방 저장과 관련된 경로가 두드러짐

 

 

영장류 장내 미생물이 숙주의 에너지 대사에 미치는 주요 변화

1. 고EQ 영장류 미생물군의 특징

   • 높은 포도당 신생합성(Gluconeogenesis): 간에서 포도당 생성이 활발해지며, 이는 뇌와 같은 에너지 소비량이 많은 기관에 충분한 에너지를 공급하기 위한 전략이다.
   • 낮은 지방 합성(Lipogenesis): 에너지 저장보다는 소비에 초점이 맞춰져 있다.
   • 단쇄지방산(SCFAs) 증가: 아세테이트와 프로피오네이트 생성량이 높아, 에너지 대사 효율을 극대화

2. 저EQ 영장류 미생물군의 특징

   • 높은 지방 저장: 에너지를 지방 형태로 저장하는 경향이 강하다.
   • 낮은 포도당 신생합성: 에너지 생산보다는 저장에 집중되어 있다.
   • SCFAs 농도 감소: 에너지 대사 효율이 상대적으로 낮음

3. 고EQ와 저EQ 간의 대조적 변화

   • 고EQ 미생물군은 뇌와 같은 고에너지 요구 기관을 우선적으로 지원하는 대사 전략을 유도하며, 저EQ 미생물군은 에너지 저장을 우선시한다.

 

연구 결론

• 장내 미생물군은 숙주의 대사 전략을 결정짓는 중요한 요인으로, 특히 뇌의 에너지 요구를 충족시키기 위한 대사 변화를 유도한다.
• 고EQ 영장류의 미생물군은 에너지 사용과 생산을 촉진하며, 이는 인간과 같은 고도 뇌화 종의 진화적 적응과 연관될 가능성이 높다.
• 본 연구는 인간의 독특한 대사 특성을 이해하고, 장내 미생물이 뇌 발달과 에너지 분배에 미치는 영향을 탐구하는 중요한 기초 자료를 제공한다.

 

고EQ 영장류의 장내 미생물군은 단쇄지방산(SCFAs)을 증가시켜 간에서 포도당 신생합성을 촉진하고 지방 합성을 억제하며, 에너지를 적극적으로 소비하는 대사 전략을 지원했다. 반대로 저EQ 영장류의 미생물군은 에너지 저장을 중심으로 한 대사를 촉진했다. 이는 장내 미생물이 숙주의 대사 패턴과 뇌 에너지 소비에 중요한 역할을 한다는 것을 시사하며, 인간 뇌의 진화적 적응 과정에서 중요한 단서를 제공한다.