기사입력시간 21.07.13 12:42최종 업데이트 21.07.13 13:48

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장내 미생물총도 낮과 밤은 다르다

[칼럼] 김용성 원광의대 소화기질환연구소 교수·것앤푸드헬스케어 CMO

사진=게티이미지뱅크 

[메디게이트뉴스] 한때 아침 일찍 일어나 일을 시작하면 인생을 두배로 살 수 있다는 '아침형 인간' 열풍이 불었던 적이 있다. 일본의 사이쇼 히로시라는 조기기상심신의학연구소(早起起牀心身醫學硏究所) 소장이 주장한 이론인데, 완전 반대의 올빼미형 인간인 나는 아침형 인간이 되기 위해 한번 시도했다가 하룻만에 실패한 적이 있다. 이후로 항상 밤의 우월성을 주창하던 나에게 1989년 안드레이 줄랍스키 감독의 소피 마르소 주연 영화 '나의 밤은 당신의 낮보다 아름답다'의 제목이 내용에 관계없이 너무나 인상 깊었다. 물론 나중에는 제목이고 내용이고 다 필요 없이 소피 마르소와 같이 살면서 애까지 낳은 줄랍스키 감독이 부러웠을 따름이지만 말이다. 

지구상의 생명체에서는 주기적인 화학적, 생리학적, 또는 행동학적 변화가 낮과 밤의 24시간 단위로 나타나는데 바로 일주기 리듬(circadian rhythm)이라는 현상이다. 이 일주기 리듬은 엽록소를 이용해 광합성을 하는 원핵생물인 남세균(cyanobacteria)부터 포유류까지 모든 생명체에서 나타난다. 생명체의 일주기 리듬을 조절하는 기관을 생체시계라고 한다. 이 생체시계는 빛, 온도, 영양상태와 같은 외부 요인에 의해 조절되는데, 당연하게도 빛은 일주기 리듬에 가장 큰 영향을 주는 요인이다.

우리 몸의 중추성 생체시계는 뇌 시상하부에서 시신경이 교차하는 부위 바로 위쪽에 위치한 시신경교차상핵(Suprachiasmatic nucleus, SCN)이다. SCN은 시신경을 통해 들어오는 빛과 어두움의 신호를 감지해 호르몬 분비나 신경계 등을 통해서 뇌의 다른 영역과 말초 기관의 생체 시계로 시간적 정보를 보내준다. 세포 수준에서 보면 일주기 리듬은 시간적 신호에 따라 DNA-RAN 전사과정과 단백질 합성과정이 피드백루프(feedback loop)로 맞물려있는 유전자 발현의 자율 조절기전이라고 할 수 있다. 이러한 기전을 통해서 일주기 리듬은 인간의 생존에 필요한 체온조절, 면역기능, 대사기능, 생식기능, 줄기세포 발달기능 등에 중요한 역할을 담당한다. 

현대사회에서는 야간 교대 근무나 대륙간 비행으로 시차를 경험하는 것과 같이 일주기 리듬이 깨지는 상황을 경험하는 사람들이 많다. 이렇게 일주기 리듬이 깨지는 것은 비만, 당뇨병, 암, 심혈관 질환에 잘 걸리거나 감염에 취약하게 되는 등 다양한 건강 이상을 유발할 수 있다. 그러나 일주기 리듬이 깨지면 왜 건강에 이상이 생기는지 그 기전에 대해서는 잘 알려지지 않았는데, 최근 장내 미생물총이 이 과정에서 중요한 역할을 한다는 결과가 보고됐다.

이스라엘 와이즈만 연구소의 Thasis 등은 쥐에게 12시간씩 간격으로  조명을 켰다 끄는 정상적인 낮-밤의 환경조건에서 전체 장내 세균의 15% 이상이 일중 변동을 보인다는 것을 발견했다. 전체 장내 세균총 중에서 Clostridiales, Lactobacillales, Bacteroidales목이 일중 변동을 보이는 균의 약 60%를 차지했다. (그림 1A) 또 장내 미생물총의 조성의 변화와 함께 생화학적 대사기능의 변화도 일중 변동을 보이는 것을 확인할 수 있어서 낮과 밤의 시간적 변화에 따라 장내 미생물이 뭔가 다른 일을 하고 있다는 것을 알게 됐다. 

 
그림1. 밤낮에 따른 장내미생물총의 변화와 Jet lag의 효과.Thasis 등.Cell 2014

그런데 숙주인 인간은 시신경을 통해 빛을 감지하고 이에 따라 생리적 변화를 일으키지만 대장 안에 존재하는 세균들은 외부의 밝고 어두운 변화를 알 수가 없을 텐데 어떻게 일중 변동을 보이는 것일까?

인간의 생활 패턴을 고려해보면 낮과 밤에 따라 달라지는 대표적인 생리적 현상은 바로 먹는 것과 잠을 자는 것이다. 즉 해가 뜨면 일어나 식사를 간헐적으로 하면서 일을 하고 해가 지면 잠을 자는 것을 24시간 주기로 반복한다. 장내 미생물총에 가장 큰 영향을 미치는 것이 바로 식이라는 것을 앞 칼럼에서 소개했는데, 이런 배경에서 생각해보면 숙주의 식이 패턴이 장내 세균의 일중 변동을 유발하는 게 아닐까 추정해볼 수 있다. 즉 장내 세균의 입장에서는 영양소가 공급되는 낮에 해야 할 일과 전혀 공급되지 않는 밤에 해야 할 일이 다를 것이다.

인간과 달리 쥐는 밤에 먹이를 먹는다. Thasis 등은 쥐를 두 군으로 나눠 한 군은 정상처럼 밤에만 먹이를 주고 다른 군은 반대로 낮에만 먹이를 주는 실험을 했다. 그 결과 두 군의 장내 세균 조성이 서로 반대방향으로 일중 변동이 나타나는 것을 관찰해 장내미생물총의 일중 변동은 숙주의 식이 패턴과 연관된다는 것을 증명했다. 물론 먹는 것이 장내 세균의 일중 변동을 유발하는 유일한 인자는 아니다. 미국 시카고 대학의 Leone 등은 쥐를 금식시키고 영양소는 정맥을 통해 주입해서 장내 세균에게 식이에 의한 신호를 주지 않더라도 장내 세균의 일중 변동이 여전히 일어남을 증명했다. 

타임존을 건너가는 대륙간 비행을 할 때 일주기 리듬이 깨지고 먹는 것이 불규칙해지면서 Jet lag 같은 심한 피로함을 느끼게 된다. 이를 자주 반복하는 항공 승무원들은 이로 인한 건강이상을 경험할 수도 있다. 이와 같은 문제는 간호사들처럼 3교대 근무를 해서 며칠에 한 번씩 활동시간이 밀리는 경우도 마찬가지이다. Thasis 등은 쥐에게 12시간 간격의 조명을 켜고 끄는 것을 3일마다 8시간씩 밀리게 함으로써 인간이 겪는 Jet lag과 유사한 상황을 유도했다. 그 결과 Jet lag 상황에 처하게 된 쥐는 정상쥐와 달리 먹이를 밤낮 구분 없이 먹었고, 이에 따라 장내 미생물총의 일중 변동이 소실되면서 dysbiosis가 발생했다.(그림 1B)

더 놀라운 것은 이 조건에서 고지방식이를 먹이면 Jet lag 쥐는 같은 양의 먹이를 먹었음도 불구하고 정상쥐에 비해 체중과 지방량이 더 증가했고 혈당이 높아졌다. 이 결과는 정상적인 일주기 리듬이 깨지면 식이가 불규칙하게 되고 장내 미생물총의 기능에 문제가 생기면서 대사질환을 일으킬 수 있다는 연속적인 과정을 보여준 것이다. 

지금까지 많은 연구들을 통해 숙주인 인간의 신체와 장내 미생물이 서로 상호 신호를 주고받으며 서로의 기능에 영향을 주는 공생관계라는 것을 알게 됐다. 그렇다면 일주기 변동이라는 인간의 건강에 중요한 기능 역시 장내 미생물총에 영향을 받을 가능성이 있다. Thasis 등의 실험이 숙주의 일주기 리듬이 장내 미생물총에 영향을 주고 그것이 깨진 경우 dysbiosis가 생긴 것을 증명했다면, Leone 등의 연구는 반대로 장내 미생물 총의 dysbiosis가 숙주의 생체 시계 기능에 영향을 줄 수 있다는 것을 증명했다.
그림 2.일주기 생체시계 시스템,에너지 균형및 장내 미생물총의 관계. Lopez등.Cell Metabolism, 2021

Leone의 실험에서는 쥐에게 고지방식이를 투여하면 장내 미생물의 dysbisis가 생기면서 뇌와 간에서 발현되는 생체 시계 연관 유전자의 발현이 달라지는 것을 관찰할 수 있었다. 특히 장내 미생물의 대사산물인 단쇄지방산이 간의 생체 시계 유전자 발현에 영향을 미치는데, 이 기전이 고지방식이에 의한 대사질환 발생에 연관되는 것으로 나타났다. 

아직까지 장내 미생물총과 일주기 리듬 사이의 관계에 대한 연구는 많지 않고 비만이나 내당능 장애와 같은 대사질환에 국한돼 있다. 향후 이 관계가 면역계나 암 발생 등에 미치는 기전이 좀 더 밝혀지게 되면 장내 미생물을 이용한 질병의 예방이나 치료에 새로운 기전으로 적용될  수 있을 것이다. 

규칙적인 시간에 잘 먹고, 잘 자고, 잘 일어나는 것이 인간의 건강뿐만 아니라 장내 미생물의 건강에도 얼마나 중요한가. 내 대장 속의 미생물들이 이 새벽에 글을 쓰고 있는 나에게 제발 좀 원고를 밀리지 말라고 호소하는 것 같다.  그러나 밤을 사랑하는 사람으로서 올빼미형 패턴을 아예 '규칙적으로' 유지하면 건강에 나쁘지 않을 것이라는 논리로 장내 미생물들을 설득해 봐야겠다.  

언젠가 공연에서 들었던 "Jazz is the night, and the rest is the day."라는 멋진 문장이 떠올라 제리 멀리건(Gerry Mulligan)의 앨범 'Night Lights (1963년)'을 꺼내본다.
 

※칼럼은 칼럼니스트의 개인적인 의견이며 본지의 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

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