홍콩대(HKU) 생명과학부 차오구 정 교수팀이 진행한 연구에서 짧은사슬 지방산(SCFA: 탄소 수 6개 이하의 지방산)인 프로피오네이트가 장과 뇌 사이의 기관 간 신호전달을 조절해 파킨슨병(PD) 신경퇴행을 강하게 억제한다는 사실이 밝혀졌다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 전했다.

프로피오네이트 분해를 억제하거나 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면, PD와 관련된 지표가 개선되고 장에서 에너지 생산이 향상돼 단백질 응집체를 분산시킬 필요 없이 신경 건강이 촉진된다는 것이다.

프로피오네이트 수치를 증가시켜 신경퇴행을 대사적으로 막는 것은, 파킨슨 등 신경퇴행성 질환의 치료에 대한 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 주목받고 있다. 이 연구 결과는 최근 선도적인 생물학 저널인 '셀리포트(Cell Reports)'에 발표됐다.

연구 배경

뇌의 단백질 응집체를 표적으로 삼아 PD와 알츠하이머병(AD)과 같은 신경퇴행성 질환을 치료하는 전통적인 방법은 지금까지 성공 가능성이 매우 낮았다. 그러나 이번 새로운 연구는 장내 세균에서 유래한 대사산물이 신경퇴행을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여 준다.

PD는 도파민성 신경세포에 알파시누클레인(알파-신: 뇌세포 사이에 신경 전달을 돕는 단백질로 PD를 일으키는 주요 원인) 단백질이 비정상적으로 축적되고 응집되는 것을 특징으로 하며, 이는 단백질 독성 스트레스와 신경 세포 사망을 유발한다. 실험용 쥐를 대상으로 한 PD 모델에 대한 이전 연구에서는 장내 미생물군이 알파-신 병리학의 운동 결핍 및 신경 염증을 유발하는 것으로 나타났다. 그러나 어떤 미생물이 숙주 신경퇴행에 영향을 미치는지는 대부분 불분명하다.

최근 몇 년 동안 관심을 끌고 있는 박테리아 대사산물의 한 종류는 식이섬유의 발효를 통해 혐기성 박테리아가 생산하는 SCFA(초산, 프로피온산 및 부티르산)이다. 그러나 SCFA가 신경 퇴행에 미치는 영향은 논란의 여지가 있다. 일부 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 악화시키고 염증을 증가시키는 것으로 나타났다. 반면 다른 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 방지한다는 사실이 밝혀졌다.

정 교수팀은 이전에 흙 속에 사는 1mm정도 크기의 작은 선형동물(C. elegans) PD 모델을 사용해 전체 게놈을 검사, 여기에서 38개의 신경퇴행성 유전자를 확인했다. 이 박테리아 유전자 중 일부는 숙주에서 프로피오네이트의 분해를 유도하는 비타민 B12의 생합성에 필수적이다. 이에 따라 연구팀은 프로피오네이트의 수치를 높이면 신경퇴행을 억제할 수 있다고 가정했다.

주요 조사 결과

정 교수팀은 PD 질환 동물이 정상 동물보다 프로피오네이트 수치가 낮았으며, 프로피오네이트 분해를 유도하는 식이성 비타민 B12를 제거하거나 프로피오네이트를 직접 보충하면 프로피오네이트 수치를 높이고, 알파-신으로 유발된 신경 세포 사망 및 운동 장애를 막는다는 사실을 발견했다.

놀랍게도 프로피오네이트의 신경보호 효과는 뉴런과 장 사이의 기관 간 신호 전달에 의해 매개됐다. 알파-신의 신경 세포 응집은 장에서 미토콘드리아 전개 단백질 반응(mitoUPR)을 유발해 프로피오네이트 생산을 줄였다.

낮은 프로피오네이트 수치는 지방산 및 아미노산 대사에 관여하는 수많은 프로피오네이트 반응 유전자의 하향 조절을 유발했고, 결국 장의 에너지 생산 결함을 초래했으며, 이는 젖산 및 신경펩티드와 관련된 장-뇌 통신을 통해 신경퇴행을 더욱 악화시켰다.

장에서 프로피오네이트 생산을 유전적으로 강화하거나 프로피오네이트 하류의 주요 대사 조절 인자의 장 발현을 복원하면 신경퇴행이 개선됐다. 이는 장의 대사 상태가 알파-신 유도 신경퇴행을 조절할 수 있음을 시사한다. 중요한 것은 프로피오네이트 보충이 알파-신 응집을 감소시키지 않고 신경퇴행을 억제해 단백질 응집체 하류의 신경 단백질 독성의 대사 구조를 입증한다는 것이다. 이 새로운 연구는 신경퇴행성 질환의 장-뇌 상호작용에 소분자 대사산물이 관여한다는 점을 강조한다.

건강 영향에 미칠 가능성

이 연구는 PD 질환 동물 모델의 실험 결과와 임상 관찰을 연결한다는 점에서 흥미롭다. PD 동물과 마찬가지로 인간 PD 환자도 SCFA를 생성하는 공생 박테리아의 양이 감소하기 때문에 건강한 개인보다 SCFA 수준이 감소한다. 따라서 PD 환자의 낮은 양의 SCFA는 실제로 질병 진행 및 중증도를 초래할 수 있으며, 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면 질병을 치료하고 증상을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 정 교수는 강조했다.

정 교수는 SCFA가 장내 식이섬유의 혐기성 발효에 의해 생성되기 때문에 섬유질이 풍부한 식품, 예컨대 씨앗, 견과류, 과일, 야채 등을 식단에 추가하면, 장내 세균에 의한 SCFA 생성도 증가할 수 있으며 뇌 건강에 유익하다고 제안했다.