Re: 소장에서 포도당 신생합성.. 시상하부에 포만감 공복감 신호전달 !!

[문형철]

Intestinal gluconeogenesis and protein diet: future directions

Part of:Nutrition Society Live 2020

Published online by Cambridge University Press:  16 November 2020

Abstract

High-protein meals and foods are promoted for their beneficial effects on satiety, weight loss and glucose homeostasis. However, the mechanisms involved and the long-term benefits of such diets are still debated. We here review how the characterisation of intestinal gluconeogenesis (IGN) sheds new light on the mechanisms by which protein diets exert their beneficial effects on health. The small intestine is the third organ (in addition to the liver and kidney) contributing to endogenous glucose production via gluconeogenesis. The particularity of glucose produced by the intestine is that it is detected in the portal vein and initiates a nervous signal to the hypothalamic nuclei regulating energy homeostasis. In this context, we demonstrated that protein diets initiate their satiety effects indirectly via IGN and portal glucose sensing. This induction results in the activation of brain areas involved in the regulation of food intake. The μ-opioid-antagonistic properties of protein digests, exerted in the portal vein, are a key link between IGN induction and protein-enriched diet in the control of satiety. From our results, IGN can be proposed as a mandatory link between nutrient sensing and the regulation of whole-body homeostasis. The use of specific mouse models targeting IGN should allow us to identify several metabolic functions that could be controlled by protein diets. This will lead to the characterisation of the mechanisms by which protein diets improve whole-body homeostasis. These data could be the basis of novel nutritional strategies targeting the serious metabolic consequences of both obesity and diabetes.

초록

고단백 식사와 식품은 

포만감, 체중 감량 및 혈당 균형에 미치는 유익한 효과로 인해 권장되고 있습니다. 

그러나 이러한 식단의 작용 메커니즘과 장기적 혜택은 여전히 논쟁의 대상입니다. 

본 연구에서는 장 내 글루코네오제네시스(IGN)의 특성이 

단백질 식단이 건강에 미치는 유익한 효과를 설명하는 데 

새로운 통찰을 제공하는 방식을 검토합니다. 

소장은 

간과 신장에 이어 내인성 포도당 생산에 기여하는 

세 번째 장기입니다. 

장에서 생성된 포도당의 특이성은 

문맥정맥에서 검출되어 에너지 균형을 조절하는 시상하부 핵으로 

신경 신호를 전달한다는 점입니다. 

이 맥락에서 우리는 

단백질 식단이 IGN과 문맥 포도당 감지를 통해

만감 효과를 간접적으로 유발함을 입증했습니다.

이 활성화는

식이 섭취 조절에 관여하는 뇌 영역의 활성화를 유발합니다.

단백질 분해물의 μ-오피오이드 수용체 차단 효과는

문맥 정맥에서 발휘되며,

IGN 활성화와 단백질 풍부 식이요법 간의 포만감 조절 메커니즘의 핵심 연결고리입니다.

The μ-opioid-antagonistic properties of protein digests, exerted in the portal vein, are a key link between IGN induction and protein-enriched diet in the control of satiety.

Intestinal gluconeogenesis is involved in the control of food intake. We show that mu-opioid receptors (MORs) present in nerves in the portal vein walls respond to peptides to regulate a gut-brain neural circuit that controls intestinal gluconeogenesis and satiety. In vitro, peptides and protein digests behave as MOR antagonists in competition experiments. In vivo, they stimulate MOR-dependent induction of intestinal gluconeogenesis via activation of brain areas receiving inputs from gastrointestinal ascending nerves. MOR-knockout mice do not carry out intestinal gluconeogenesis in response to peptides and are insensitive to the satiety effect induced by protein-enriched diets. Portal infusions of MOR modulators have no effect on food intake in mice deficient for intestinal gluconeogenesis. Thus, the regulation of portal MORs by peptides triggering signals to and from the brain to induce intestinal gluconeogenesis are links in the satiety phenomenon associated with alimentary protein assimilation. 장 내 글루코네오제네시스(gluconeogenesis)는 식이 섭취 조절에 관여합니다. 우리는 문맥정맥 벽의 신경에 존재하는 뮤-오피오이드 수용체(MOR)가 펩타이드에 반응하여 장-뇌 신경 회로를 조절함으로써 장 내 글루코네오게네시스 및 포만감을 조절한다는 것을 보여주었습니다. 체외 실험에서 펩타이드와 단백질 분해물은 경쟁 실험에서 MOR 길항제로 작용합니다. 체내에서는 이들은 위장관 상승 신경으로부터 입력 신호를 받는 뇌 부위의 활성화를 통해 MOR 의존적 장 내 글루코네오게네시스 유도 효과를 자극합니다. MOR 결손 마우스는 펩타이드에 대한 장내 글루코네오게네시스를 수행하지 않으며, 단백질 풍부한 식이로 유발된 포만감 효과에 무감각합니다. 장내 글루코네오게네시스 결손 마우스에서 문맥 정맥 내 MOR 조절제 투여는 식이 섭취에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 뇌와 장 사이의 신호 전달을 통해 장내 글루코네오게네시스를 유도하는 펩타이드에 의해 조절되는 문맥 MOR은 식이 단백질 흡수 관련 포만감 현상의 연결 고리입니다.

우리의 결과에서

IGN은 영양소 감지와 전신 균형 조절 사이의 필수적인 연결고리로 제안될 수 있습니다.

IGN을 표적으로 하는 특정 마우스 모델을 사용하면 단백질 식단이 조절할 수 있는 여러 대사 기능을 식별할 수 있을 것입니다. 이는 단백질 식단이 전신 균형을 개선하는 메커니즘을 규명하는 데 기여할 것입니다. 이러한 데이터는 비만과 당뇨병의 심각한 대사적 합병증을 표적으로 하는 새로운 영양 전략의 기반이 될 수 있습니다.

The increase in obesity and its associated diseases makes it more crucial than ever to better understand the mechanisms controlling food intake and energy metabolism. Feelings of hunger and satiety are key factors in controlling food intake. In normal individuals, there is a balance between the feeling of hunger before eating and the feeling of fullness that occurs after the assimilation of nutrients. This balance is deregulated in the context of obesity, in which the feeling of fullness is delayed or diminished(Reference Covasa1,Reference Little and Feinle-Bisset2) . Protein-enriched diets (PED) represent a particular nutritional situation exerting beneficial effects in glucose homeostasis in obese and diabetic patients. Dietary protein intake plays a beneficial role in glucose homeostasis, through the induction of satiety and weight loss in animals and human subjects(Reference Barkeling, Rössner and Björvell3–Reference Drummen, Tischmann and Gatta-Cherifi6). However, in mice models, manipulation of dietary protein levels (10–30 % by energy) at fixed fat contents (either 20 or 60 % by energy) has no effect on energy intake(Reference Hu, Wang and Yang7). Protein end products can be detected by several mechanisms during digestion, absorption and even during the inter-prandial period(Reference Fromentin, Darcel and Chaumontet8). Among them, anorexigenic gut peptides, such as cholecystokinin, glucagon-like peptide-1 and peptide YY, might be released after protein ingestion and target both directly and indirectly (mainly through the vagus nerve) the central nervous system to reduce food intake(Reference Fromentin, Darcel and Chaumontet8). In the long term, improvement in insulin sensitivity in diabetic patients is considered to be the result of weight loss(Reference Drummen, Tischmann and Gatta-Cherifi6). However, the parameters of glucose tolerance, including glycated Hb, are significantly improved in the short term in patients with type 2 diabetes, after increasing the proportion of dietary protein for a few weeks, independently of any effect on body weight(Reference Gannon and Nuttall9–Reference Gannon, Nuttall and Saeed11). The magnitude of the beneficial effects of PED depends on the amount and type of protein in the diet. Meta-analyses indicate that higher-protein diets containing between 1⋅2 and 1⋅6 g protein/kg/d and with meal-specific protein quantities of at least 25–30 g protein/meal provide a decrease in food intake, improvement in body weight management and/or cardiometabolic risk factors compared with lower-protein diets(Reference Leidy, Clifton and Astrup12).

The intestine and more particularly afferents to the brain of the extrinsic gastrointestinal nervous system (e.g. vagus nerve) are clearly involved in the control of feelings of hunger and satiety. We identified several years ago that enterocytes express the enzymatic machinery needed to produce glucose de novo and then demonstrated that the intestine is the third gluconeogenic organ, in addition to the liver and kidney. Results of the past 10 years have highlighted how intestinal gluconeogenesis (IGN) participates in whole-body metabolism. We here review how, by using nutritional (particularly PED) and genetic strategies targeting IGN, we identified numerous beneficial effects of this function on glucose and energy homeostasis. We also show how characterizing IGN could allow us to propose novel strategies for a beneficial use of PED on health.

비만과 관련된 질병의 증가로 인해

음식 섭취와 에너지 대사 메커니즘을 더 잘 이해하는 것이

그 어느 때보다 중요해졌습니다.

배고픔과 포만감은

음식 섭취를 조절하는 핵심 요인입니다.

정상적인 개인에서는

식사 전의 배고픔과 영양소 흡수 후 발생하는 포만감 사이에 균형이 유지됩니다.

이 균형은

비만 상태에서 식사 후 포만감이 지연되거나 감소하는 방식으로 조절이 깨집니다

(참고 문헌 Covasa1, 참고 문헌 Little and Feinle-Bisset2).

여러 임상 연구에서 권장 식이 섭취량보다 더 많은 단백질을 섭취하는 것이 체중(BW)을 감소시킬 뿐만 아니라, 저칼로리 및 표준 칼로리 식이 모두에서 체지방량을 감소시키면서 체지방량(FFM)을 유지함으로써 체성분을 개선한다는 결과가 나왔습니다. 6~12개월 동안 진행된 비교적 장기적인 임상 연구에서는 고단백 식이(HPD)가 체중 감량 효과를 제공하며, 체중 감량 후 체중 재증가를 예방할 수 있다는 보고가 있었습니다. HPD는 건강한 성인에서 골밀도나 신장 기능에 대한 건강상의 부작용이 보고되지 않았습니다. 장에서 유래한 호르몬 중 글루카곤 유사 펩티드-1(GLP-1), 콜레시스토키닌(CCK), 티로신-티로신 펩티드는 식욕을 억제하며, 그렐린은 식욕을 촉진합니다. HPD는 이러한 식욕 억제 호르몬 수치를 증가시키고 식욕 촉진 호르몬 수치를 감소시켜 포만감 신호를 강화하며, 결국 음식 섭취량을 감소시킵니다. 또한, 식이 유발 열생성(DIT) 증가, 혈중 아미노산 농도 증가, 간 글루코네오제네시스 증가, 식이 단백질 섭취 증가로 인한 케토제네시스 증가가 포만감 증가에 기여합니다. HPD가 에너지 소비를 증가시키는 메커니즘은 두 가지 측면을 포함합니다: 첫째, 단백질은 탄수화물과 지방보다 DIT가 현저히 높습니다. 둘째, 단백질 섭취는 체지방량(FFM) 감소 방지하여 체중 감소에도 불구하고 휴식 시 에너지 소비를 유지합니다. 결론적으로, HPD는 비만과 비만 관련 질환을 예방할 수 있는 효과적이고 안전한 체중 감량 도구입니다. 그러나 HPD의 효과를 더욱 확증하기 위해 12개월 이상 진행되는 장기 임상 시험이 필요합니다.

단백질 강화 식이(PED)는

비만 및 당뇨병 환자의 혈당 균형에 유익한 효과를 미치는 특별한 영양 상태를 나타냅니다.

식이 단백질 섭취는

동물과 인간 대상에서 포만감 유도 및 체중 감소를 통해

혈당 균형에 유익한 역할을 합니다

(참고 문헌 Barkeling, Rössner 및 Björvell3–참고 문헌 Drummen, Tischmann 및 Gatta-Cherifi6).

그러나

쥐 모델에서 식이 단백질 수준(에너지의 10–30%)을

고정된 지방 함량(에너지의 20% 또는 60%)에서 조작해도 에너지 섭취량에 영향을 미치지 않습니다(참고 문헌 Hu, Wang 및 Yang7).

단백질 최종 대사산물은

소화, 흡수 과정 및 식사 간 기간 동안 여러 메커니즘을 통해 검출될 수 있습니다

(참고 문헌 Fromentin, Darcel 및 Chaumontet8).

이 중 식욕 억제 장 펩타이드인

콜레시스토키닌, 글루카곤 유사 펩타이드-1 및 펩타이드 YY는

단백질 섭취 후 방출되어 중추 신경계에 직접적 또는 간접적(주로 미주 신경 통해)으로 작용하여

식이 섭취를 감소시킬 수 있습니다(Fromentin, Darcel 및 Chaumontet8).

이 리뷰는 위장관에서 분비되는 식욕 조절 펩타이드(콜레시스토키닌, 글루카곤 유사 펩타이드 1, 펩타이드 YY, 그렐린, 최근에 발견된 네스파틴-1)가 장-뇌 축을 통해 식욕을 조절하는 메커니즘에 초점을 맞춥니다. 또한, 다양한 영양소 섭취나 스트레스와 같은 외부 요인이 위장관 펩타이드 분비에 미치는 영향을 설명합니다. 마지막으로, 비만 치료를 위한 보존적 치료 전략(신체 활동 및 약물 치료)과 이러한 펩타이드 경로를 변화시키는 수술적 기술(심부 뇌 자극술 및 비만 수술)을 강조합니다.

cholecystokinin, glucagon-like peptide-1 and peptide YY

장기적으로 당뇨병 환자의 인슐린 감수성 개선은

체중 감소의 결과로 간주됩니다(Drummen, Tischmann 및 Gatta-Cherifi6).

그러나

제2형 당뇨병 환자의 경우,

식이 단백질 비율을 몇 주 동안 증가시킨 후 체중 변화와 무관하게

혈당 내성 지표(당화 헤모글로빈 포함)가

단기적으로 유의미하게 개선됩니다(참고 문헌 Gannon and Nuttall9–Gannon, Nuttall and Saeed11).

PED의 유익한 효과의 정도는

식이 단백질의 양과 유형에 따라 다릅니다.

메타분석 결과,

1.2~1.6g 단백질/kg/일 함유하고

식사별 단백질 양이 25~30g 이상인 고단백 식단은 저단백 식단에 비해 식이 섭취량 감소,

체중 관리 개선 및/또는 심혈관 대사 위험 인자 개선을 보여줍니다(참고 문헌 Leidy, Clifton 및 Astrup12).

장, 특히 외인성 위장 신경계(예: 미주 신경)의 뇌로 향하는 구심성 신경은

배고픔과 포만감의 제어에 명확하게 관여합니다.

우리는 몇 년 전,

장세포가 포도당을 새로 생성하는 데 필요한 효소 기전을 발현한다는 사실을 확인한 후,

장이 간과 신장에 이어 세 번째 포도당 생성 기관이라는 것을 증명했습니다.

지난 10년간의 연구 결과는

장 글루코네오게네시스(IGN)가 전신 대사 과정에 어떻게 기여하는지 강조했습니다.

우리는 영양학적(특히 PED) 및 유전적 전략을 통해 IGN을 표적으로 삼아 이 기능이 포도당 및 에너지 균형에 미치는 다양한 유익한 효과를 확인했습니다. 또한 IGN을 특성화하는 것이 PED의 건강에 유익한 활용을 위한 새로운 전략을 제안하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 보여줍니다.

Portal glucose and the regulation of food intake

The regulation of hunger could be artificially separated into two stages: satiation and satiety. It may be useful to recall here that satiation is defined as the cessation of the feeling of hunger that takes place during the absorption and digestion of the meal. In other words, satiation integrates the mechanisms that take place during the digestion of nutrients and help to reduce the feeling of hunger. The mechanisms underlying the shift from the sensation of hunger to satiation integrate the mechanisms that take place during the digestion of nutrients: gastric distension, changes in gut motility and secretion of gastrointestinal hormones such as ghrelin, cholecystokinin, peptide YY and glucagon-like peptide-1(Reference Janssen, Vanden Berghe and Verschueren13). In contrast, satiety is defined as the state of non-hunger that takes place following the digestion of the last meal. Thus, satiety moderates the feeling of hunger at the initiation of the next meal. Interestingly, dietary proteins mainly induce a feeling of satiety, not of satiation(Reference Rolls, Hetherington and Burley5). However, it is sometimes difficult to attribute a role of satiation or satiety for a given mechanism because a satiation mechanism can be prolonged and thus contribute to satiety.

Among the different signals originating from food, glucose has been identified as a key-signalling molecule able to suppress food intake(Reference Thorens and Larsen14) and drive the decision to eat(Reference Louis-Sylvestre and Le Magnen15). The digestion of a meal representative of current human nutrition (about 50 % of energy in the form of carbohydrates) leads to a high flow of glucose appearance in the portal vein. It might reach one to two times the equivalent of the total endogenous glucose production (EGP) of the body (excluding food). It has long been assumed that glucose could induce a satiating effect during the digestion of the meal. However, portal infusion of glucose at much lower flows (one-sixth to one-third of EGP) in previously unfed animals is sufficient to initiate both limitation of food intake and activation of the hypothalamic nuclei controlling the sensation of hunger in re-feeding period(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Mithieux, Misery and Magnan17) . Conversely, various arguments have suggested that the release of glucose into the portal blood does not determine the end of a current meal, but instead reduces the size of the next meal(Reference Mithieux, Misery and Magnan17,Reference Baird, Grill and Kaplan18) . This has suggested that portal glucose may initiate satiety, rather than satiation.

The satiety effect of glucose infusion in the portal vein argues for the detection of glucose at a peripheral site. Indeed, after being proposed at the end of the 1960s, the presence of portal glucose sensors involved in the limitation of food intake has been abundantly documented, especially regarding the effect of intraportal infusions of glucose on food intake(Reference Langhans, Grossmann and Geary19–Reference Tordoff, Tluczek and Friedman22). The identification of nerve connections between the portal vein and the brain stem and the hypothalamic areas controlling food intake has further argued for a gut–brain signalling process induced by portal glucose detection(Reference Adachi, Shimizu and Oomura23,Reference Niijima24) . Finally, a large body of evidence allowed us to propose that the sodium-glucose co-transporter 3 could be responsible for portal glucose detection, rather than the GLUT2 or sweet taste receptors(Reference Delaere, Duchampt and Mounien25).

문맥 포도당과 식이 섭취 조절

배고픔의 조절은 인공적으로 두 단계로 나눌 수 있습니다: 포만감과 포만 상태. 여기서 포만감은 식사 흡수 및 소화 과정에서 배고픔의 느낌이 사라지는 것을 의미합니다. 즉, 포만감은 영양소 소화 과정에서 발생하는 메커니즘을 통합하여 배고픔의 느낌을 감소시키는 역할을 합니다.

배고픔에서 포만감으로의 전환을 조절하는 메커니즘은

영양소 소화 과정에서 발생하는 메커니즘을 통합합니다:

위 확장, 장 운동 변화 및 ghrelin, cholecystokinin, peptide YY, glucagon-like peptide-1(참고 문헌 Janssen, Vanden Berghe 및 Verschueren13)과 같은 위장관 호르몬 분비.

반면,

포만감은 마지막 식사 후 발생하는 배고픔이 없는 상태를 의미합니다.

따라서 포만감은 다음 식사 시작 시 배고픔을 조절합니다. 흥미롭게도 식이 단백질은 주로 포만감을 유발하며, 포만감 자체를 유발하지 않습니다(Rolls, Hetherington 및 Burley5). 그러나 특정 메커니즘에 포만감이나 포만감의 역할을 귀속시키는 것은 때로는 어렵습니다. 왜냐하면 포만감 메커니즘이 연장될 수 있으며 따라서 포만감에 기여할 수 있기 때문입니다.

음식에서 발생하는 다양한 신호 중 글루코스는 식이 섭취를 억제하는(참고 문헌 Thorens and Larsen14) 및 식사 결정(참고 문헌 Louis-Sylvestre and Le Magnen15)을 유도하는 핵심 신호 분자로 식별되었습니다. 현재 인간 영양을 대표하는 식사의 소화(에너지의 약 50%가 탄수화물 형태)는 문맥 정맥에 높은 포도당 유입을 유발합니다. 이는 신체 내 총 내인성 포도당 생산량(EGP, 음식 제외)의 1~2배에 달할 수 있습니다. 오랫동안 포도당이 식사 소화 과정에서 포만감을 유발할 수 있다고 가정되어 왔습니다. 그러나 이전에 식사를 하지 않은 동물에서 EGP의 1/6에서 1/3 수준의 낮은 유속으로 포털 정맥에 포도당을 주입해도, 재식사 기간 동안 식사량 제한과 배고픔을 조절하는 시상하부 핵의 활성화가 동시에 발생합니다(참고 문헌 Delaere, Akaoka 및 De Vadder16,참고 문헌 Mithieux, Misery 및 Magnan17). 반면, 다양한 논쟁은 포털 혈액으로의 포도당 방출이 현재 식사의 종결을 결정하지 않으며, 대신 다음 식사의 크기를 감소시킨다고 제안했습니다(Mithieux, Misery 및 Magnan17, Baird, Grill 및 Kaplan18). 이는 포털 포도당이 포만감보다는 포만감을 유발할 수 있음을 시사합니다.

문맥 정맥 내 포도당 주입의 포만감 효과는

포도당을 주변 부위에서 감지한다는 점을 지지합니다.

실제로 1960년대 후반에 제안된 이후, 식이 섭취 제한에 관여하는 문맥 포도당 센서의 존재는 풍부하게 문서화되었습니다. 특히 포도당 정맥 내 주입이 식이 섭취에 미치는 영향에 대한 연구(참고 문헌 Langhans, Grossmann 및 Geary19–참고 문헌 Tordoff, Tluczek 및 Friedman22)에서 이를 확인할 수 있습니다.

문맥정맥과 뇌간 및 식욕 조절을 담당하는 시상하부 영역 간의 신경 연결이 확인됨에 따라,

문맥 포도당 감지에 의해 유발되는

장-뇌 신호 전달 과정이 제안되었습니다(Adachi, Shimizu 및 Oomura23, Niijima24).

마지막으로,

광범위한 증거는 문맥 포도당 감지의 주된 메커니즘이 GLUT2나 단맛 수용체가 아닌

나트륨-포도당 공수송체 3(SGLT3)일 수 있음을 제안했습니다(Delaere, Duchampt 및 Mounien 25).

Intestinal gluconeogenesis and protein-enriched diet: induction of the portal glucose signal

Glucose release in the portal vein can originate from the meal but also from de novo synthesis (gluconeogenesis) from the intestine. Gluconeogenesis is a biological function relaying food to maintain blood glucose levels about 0⋅9–1 g/l. Glucose production into the bloodstream depends on the expression‎ of the glucose-6-phosphatase (G6Pase), which catalyses the de-phosphorylation of glucose-6-phosphate into glucose (Fig. 1). The capacity of the liver and kidney to express this enzyme and to produce glucose was known since the end of the nineteenth century (for the liver) and the 1960s (for the kidney). However, we demonstrated at the end of the 1990s that the small intestine has the capacity to release glucose into the portal vein, during fasting and in the situation of insulin deficiency(Reference Croset, Rajas and Zitoun26–Reference Pillot, Soty and Gautier-Stein28). Before these data, one of the earlier demonstrations of intestinal G6Pase expression‎ was performed from human jejunal mucosa(Reference Öckerman29). Moreover, during surgical operations in four patients, the conversion of fructose infused in the lumen into glucose released at the basolateral site was reported, which highlighted the functional character of the enzyme and of the gluconeogenesis pathway in human subjects(Reference Öckerman and Lundborg30).

장 내 포도당 신생합성과 단백질 풍부 식이: 문맥 포도당 신호 유도

문맥 정맥에서의 포도당 방출은 식사로부터 비롯될 수 있지만,

장에서의 신규 합성(글루코네오제네시스)에서도 발생할 수 있습니다.

글루코네오제네시스는

혈당 수치를 약 0.9–1 g/l로 유지하기 위해 식물을 전달하는 생물학적 기능입니다.

혈류로의 포도당 생산은

포도당-6-인산분해효소(G6Pase)의 발현에 의존하며,

이 효소는 포도당-6-인산염을 포도당으로 탈인산화합니다(그림 1).

간과 신장이 이 효소를 발현하고

포도당을 생산하는 능력은 19세기 말(간)과 1960년대(신장)에 알려져 있었습니다.

그러나

우리는 1990년대 말에 소장이 금식 상태 및 인슐린 결핍 상황에서

문맥 정맥으로 포도당을 방출할 수 있음을 입증했습니다

(참고 문헌 Croset, Rajas 및 Zitoun26–참고 문헌 Pillot, Soty 및 Gautier-Stein28).

이 데이터 이전에 장 내 G6Pase 발현의 초기 증거는 인간 소장 점막에서 수행되었습니다(Öckerman29). 또한, 4명의 환자의 수술 중 장 내강에 주입된 과당이 기저측 부위에서 방출된 포도당으로 전환되는 것이 보고되었으며, 이는 인간에서 이 효소와 글루코네오게네시스 경로의 기능적 특성을 강조했습니다(Öckerman and Lundborg30).

Fig. 1. Endogenous glucose production (EGP), main pathways and organs contribution. (a) Main pathways of EGP. Glycogenolysis in the liver and gluconeogenesis in the liver, kidney and intestine are the two pathways of EGP, both ending at the production of glucose-6-phosphate. The latter is produced from glycogen stores (in the liver only) or from lactate, amino acids and glycerol. Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) converts oxaloacetate (OAA) into phosphoenolpyruvate (PEP) and is considered as the rate-limiting enzyme of gluconeogenesis. Glucose-6-phosphatase (G6Pase) catalyses the hydrolysis of glucose-6-phosphate into glucose. G6Pase is the mandatory enzyme of EGP. The expression‎ of its catalytic unit G6PC1 restricted to the liver, kidney and intestine confers on these organs their gluconeogenic capacities. Pyr, pyruvate; TCA, tricarboxylic. (b) Contribution of the gluconeogenic organs to EGP during standard chow or protein-enriched diet. The contribution of these three organs varies according to nutritional states. In the fed post-absorptive state (FED/PA) under a standard chow diet (left panel), the majority of endogenous glucose is produced by the liver. In the fasting state, the contribution of the kidney increases up to 55 % of total EGP at the expense of one of the liver. The intestine contributes to only 5–7 % of total EGP in the fed state on a standard chow diet, but makes a significant contribution to glucose production during fasting. A similar distribution of EGP among gluconeogenic organs is observed in the FED/PA under a protein-enriched diet (right panel). Servier Medical Art was used for illustrations.

그림 1. 내인성 포도당 생성 (EGP), 주요 경로 및 장기 기여도. 

(a) EGP의 주요 경로. 간에서의 글리코겐 분해와 간, 신장, 장에서의 글루코네오제네시스(gluconeogenesis)는 EGP의 두 가지 경로로, 모두 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)의 생성과서 끝납니다. 후자는 간 내 글리코겐 저장고에서 또는 젖산, 아미노산, 글리세롤로부터 생성됩니다. 포스포엔올피루vate 카복시키나제(PEPCK)는 옥살아세테이트(OAA)를 포스포엔올피루vate(PEP)로 전환하며, 글루코네오게네시스의 속도 제한 효소로 간주됩니다. 글루코스-6-포스페이트아제(G6Pase)는 글루코스-6-포스페이트를 글루코스로 가수분해합니다. G6Pase는 EGP의 필수 효소입니다. 그 촉매 단위 G6PC1의 발현이 간, 신장 및 장에 제한되어 있어 이 기관들에 글루코네오제네시스 능력을 부여합니다. Pyr, 피루베이트; TCA, 트리카르복실산. 

(b) 표준 사료 또는 단백질 강화 사료 섭취 시 글루코네오제네시스 기관의 EGP 기여도. 이 세 기관의 기여도는 영양 상태에 따라 달라집니다. 표준 사료 섭취 후 흡수 후 상태(FED/PA)에서(왼쪽 패널), 내인성 포도당의 대부분은 간에서 생성됩니다. 금식 상태에서는 신장의 기여도가 간 중 하나를 대신해 총 EGP의 55%까지 증가합니다. 표준 사료 섭취 시 포식 후 상태에서 장은 총 EGP의 5–7%만을 기여하지만, 금식 시 포도당 생산에 중요한 기여를 합니다. 단백질 강화 사료 섭취 시 FED/PA 상태에서 글루코네오겐성 기관 간의 EGP 분포는 유사합니다(오른쪽 패널). 일러스트레이션은 Servier Medical Art를 사용했습니다.

Glucose production among gluconeogenic organs varies in function of nutritional situations. Under a standard starch-based diet, the liver provides the majority of EGP at the fed to fasted transition (i.e. the beginning of the post-absorptive period), while the kidney glucose production represents about 15–20 % of EGP in rats (Fig. 1). During fasting (24 h in rats), the kidney becomes the major contributor of EGP, providing about 50 % of EGP(Reference Pillot, Soty and Gautier-Stein28). Comparable estimations for both organs were obtained in human subjects in post-absorptive state(Reference Gerich, Meyer and Woerle31) and long-term fasting(Reference Owen, Felig and Morgan32). The intestine contributes to only 5–7 % of EGP at the fed to fasted transition but to about 20–25 % after 24 h fasting in the rat(Reference Croset, Rajas and Zitoun26,Reference Mithieux, Gautier-Stein and Rajas33) (Fig. 1). The contribution of IGN to glucose appearance in portal blood has now been firmly established during the an-hepatic phase of liver transplantation in human patients, where the kidney could account for about 70 % of EGP and the intestine for the remaining 30 %(Reference Battezzati, Caumo and Martino34), and after gastric bypass surgery in obese patients(Reference Hayes, Foo and Besic35). It could be estimated that IGN could account for at least 25 % of EGP in the latter patients(Reference Mithieux36).

The position of the intestine upstream of the portal nervous system has suggested that IGN might have the capacity to decrease hunger sensation by triggering the satiety effect of portal glucose. To provide this proof of concept, we used a nutritional strategy targeting IGN. Remarkably, a significant increase of IGN in the post-absorptive state (comparable to the contributions of the intestine to EGP in the fasted state; Fig. 1) takes place upon feeding PED(Reference Mithieux, Misery and Magnan17,Reference Mithieux37) . This increase is sufficient to counteract the high intestinal glucose utilisation, resulting in a portal glucose concentration equal to arterial blood glucose in the post-absorptive state (while it is substantially lower than arterial blood glucose after a high-carbohydrate diet). In this specific nutritional situation, the release of glucose into the portal vein by IGN is sufficient to activate the portal glucose sensor and to curb hunger and food intake(Reference Mithieux, Misery and Magnan17,Reference Mithieux37) . As expected, portal innervation is essential in this phenomenon, since local periportal treatment with capsaicin (a drug that inactivates both vagal- and spinal-sensitive nerves) abolishes the satiety effect induced by PED(Reference Mithieux, Misery and Magnan17). The causal link of IGN in the effect of dietary protein satiety has been confirmed by genetic manipulation of the gene encoding the catalytic unit of the G6Pase (G6pc) in mice. Thus, mice deleted for the G6pc gene specifically in the intestine are insensitive to the feeling of satiety induced by PED(Reference Penhoat, Mutel and Amigo-Correig38).

글루코네오겐성 기관에서의 글루코스 생산은 영양 상태에 따라 달라집니다. 표준 전분 기반 식이 조건 하에서 간은 식사 후 공복 상태로의 전환기(즉, 흡수 후 기간의 시작)에 EGP의 대부분을 공급하며, 쥐의 경우 신장 글루코스 생산은 EGP의 약 15–20%를 차지합니다(그림 1). 공복 상태(쥐에서 24시간)에서는 신장이 EGP의 주요 공급원이 되어 약 50%를 차지합니다(참고 문헌 Pillot, Soty 및 Gautier-Stein28). 인간 대상에서 흡수 후 상태(참고 문헌 Gerich, Meyer 및 Woerle31) 및 장기 공복 상태(참고 문헌 Owen, Felig 및 Morgan32)에서 두 기관에 대한 유사한 추정치가 얻어졌습니다.

장(intestine)은 식사 후 금식 전환 시 EGP의 5–7%만을 기여하지만,

쥐에서 24시간 금식 후에는 약 20–25%를 차지합니다(Croset, Rajas 및 Zitoun26, Mithieux, Gautier-Stein 및 Rajas33) (그림 1).

IGN이 문맥 혈액 내 포도당 출현에 기여하는 것은

간 이식 환자의 간 기능 부전 단계에서 확립되었으며,

이 경우 신장이 EGP의 약 70%를 차지하고 장이 나머지 30%를 차지합니다(Battezzati, Caumo 및 Martino34),

그리고

비만 환자의 위 우회 수술 후에도 마찬가지입니다(Hayes, Foo 및 Besic35).

후자 환자에서 IGN이 EGP의 최소 25%를 차지할 수 있다는 추정이 가능합니다(Mithieux36).

장관이 문맥 신경계 상류에 위치한다는 점은

IGN이 문맥 포도당의 포만 효과를 유발하여 배고픔 감각을 감소시킬 수 있다는 가능성을 제시합니다.

이 개념을 입증하기 위해 우리는

IGN을 표적으로 한 영양 전략을 사용했습니다.

놀랍게도,

PED 섭취 후 흡수 후 상태에서 IGN이 유의미하게 증가합니다

(공복 상태에서 장이 EGP에 기여하는 정도와 유사함; 그림 1).

이 증가는 PED 섭취 후 포도당 흡수 후 상태에서 발생합니다(Mithieux, Misery 및 Magnan17, Mithieux37). 이 증가는 장 내 포도당 이용률의 증가를 상쇄하여 흡수 후 상태에서 문맥 혈당 농도가 동맥 혈당 농도와 동일해집니다(고탄수화물 식사 후에는 동맥 혈당 농도보다 현저히 낮음). 이 특정 영양 상태에서 IGN에 의한 문맥 정맥으로의 포도당 방출은 문맥 포도당 센서를 활성화하고 배고픔과 식이 섭취를 억제하는 데 충분합니다(Mithieux, Misery 및 Magnan17, Mithieux37).

예상대로 문맥 신경 분포는 이 현상에 필수적입니다. 왜냐하면 문맥 주변에 캡사이신(부교감신경과 척수 신경에 민감한 신경을 비활성화하는 약물)을 국소적으로 투여하면 PED에 의해 유발된 포만감 효과가 소실되기 때문입니다(Mithieux, Misery 및 Magnan17). 식사 단백질 포만감에 대한 IGN의 인과 관계는 쥐의 G6Pase (G6pc)의 촉매 단위를 암호화하는 유전자의 유전자 조작을 통해 확인되었습니다. 따라서, 장에서 G6pc 유전자가 특이적으로 삭제된 쥐는 PED에 의해 유발된 포만감에 민감하지 않습니다(참고 문헌 Penhoat, Mutel 및 Amigo-Correig38).

Mechanisms of induction of intestinal gluconeogenesis by proteins

PED promote IGN by inducing the expression‎ of the intestinal gluconeogenic enzymes: G6Pase, phosphoenolpyruvate carboxykinase and glutaminase. Glutamine is indeed one of the major precursors of glucose synthesised by the intestine (Fig. 1; for review, see(Reference Mithieux27,Reference Mithieux37) ). Interestingly, denervation of the portal vein by capsaicin blunts these inductions by PED, suggesting that PED indirectly control IGN via a gut–brain axis.

The digestion of protein gives rise to the delivery of peptides into the portal blood after traversing the enterocyte mucosa(Reference Lee39). The infusion of peptides into the portal vein is sufficient to induce IGN but this process is blunted when portal-sensitive nerves are disrupted(Reference Duraffourd, De Vadder and Goncalves40). These results suggest that peptides can be detected at the level of the portal vein and may account for the control of food intake via IGN. Firstly, proteolytic fragments released from food proteins are known for a long time to exhibit μ-opioid activity in vitro (Reference Capasso, Amodeo and Balboni41–Reference Zioudrou, Streaty and Klee43). A large literature mentions the μ-opioid activity of oligopeptides of variable size, the minimum required structure being that of a dipeptide. Secondly, the modulation of μ-opioid receptors (MOR) controls food intake: agonists enhance food intake, whereas antagonists inhibit it (for review, see(Reference Yeomans and Gray44)). Third, MOR are present in the enteric nervous system(Reference Holzer45). This has led to the hypothesis that MOR may be involved in the detection of oligopeptides resulting from protein digestion and mediate the control of food intake by PED. In line with this hypothesis, MOR agonists (such as DAMGO) inhibit the expression‎ of the regulatory genes of IGN and increase food intake when infused into the portal vein of conscious rats. In contrast, antagonists (such as naloxone) or peptides from different sources induce IGN and decrease food intake(Reference Duraffourd, De Vadder and Goncalves40). The causal effect of MOR in the control of hunger by proteins related to IGN has been confirmed by knockout experiments. MOR-knockout mice do not induce IGN in response to oligopeptides and are insensitive to PED. Moreover, mice with intestinal G6pc1 deletion do not decrease food intake in response to portal infusions of MOR antagonists or peptides(Reference Duraffourd, De Vadder and Goncalves40).

To sum-up, PED induces two consecutive gut–brain signals initiated at the level of the portal vein (Fig. 2). The first detection of peptides by MOR starts at the post-prandial period and leads to the induction of IGN by a gene induction process. This is progressive and takes place over the entire postprandial period. Following the induction of IGN, the portal glucose signal can initiate satiety during the post-absorptive period (Fig. 2). This may continue after the postprandial period, since it depends on robust induction at the enzyme level(Reference Duraffourd, De Vadder and Goncalves40). Moreover, glutamine and glutamate, major substrates of IGN, are present at high concentration in the blood in all nutritional situations. Therefore, deciphering the role of IGN in the effect of protein diets has provided a mechanistic explanation for their effect of satiety.

단백질에 의한 장 내 포도당 생합성 유도 메커니즘

PED는

장 글루코네오게네시스 효소인 G6Pase,

포스포엔올피루베이트 카르복시키나제 및 글루타미나제의 발현을 유도하여

IGN을 촉진합니다.

글루타민은

실제로 장에서 합성되는 글루코스의 주요 전구체 중 하나입니다(그림 1; 리뷰 참조: (참고문헌 Mithieux27,참고문헌 Mithieux37) ).

흥미롭게도,

캡사이신에 의한 문맥정맥의 신경절제는 PED에 의한 이러한 유도 효과를 억제하며,

이는 PED가 장-뇌 축을 통해 IGN을 간접적으로 조절한다는 것을 시사합니다.

단백질의 소화는

장 상피 세포 점막을 통과한 후 문맥 혈액으로 펩타이드가 전달되는 과정을 유발합니다(참고문헌 Lee39).

문맥 정맥으로 펩타이드를 주입하는 것만으로도

IGN을 유도하지만,

문맥 감수성 신경이 손상되면 이 과정이 억제됩니다(참고문헌 Duraffourd, De Vadder 및 Goncalves40).

이 결과는

펩타이드가 문맥 정맥 수준에서 검출될 수 있으며

IGN을 통해 식이 섭취를 조절하는 메커니즘을 설명할 수 있음을 시사합니다.

첫째,

식품 단백질에서 방출되는 단백질 분해 산물은

체외에서 μ-오피오이드 활성을 나타내는 것으로 오래 전부터 알려져 있습니다

(참고 문헌 Capasso, Amodeo 및 Balboni41–참고 문헌 Zioudrou, Streaty 및 Klee43).

다양한 크기의 올리고펩타이드의 μ-오피오이드 활성에 대한 광범위한 문헌이 존재하며,

최소 요구 구조는 디펩타이드입니다.

둘째,

μ-오피오이드 수용체(MOR)의 조절은

식이 섭취를 통제합니다:

작용제는 식이 섭취를 증가시키며, 길항제는 이를 억제합니다(리뷰 참조: Yeomans and Gray44).

셋째,

MOR는 장 신경계(Holzer45)에 존재합니다.

이는 MOR가

단백질 분해로 생성된 올리고펩타이드의 감지에 관여하고

PED를 통해 식이 섭취 조절을 매개할 수 있다는 가설을 제기했습니다.

이 가설과 일치하게, MOR 작용제(예: DAMGO)는 의식 있는 쥐의 문맥 정맥에 투여될 때 IGN 조절 유전자 발현을 억제하고 식이 섭취를 증가시킵니다. 반면, 길항제(예: naloxone)나 다른 출처의 펩타이드들은 IGN을 유도하고 식이 섭취를 감소시킵니다(Duraffourd, De Vadder 및 Goncalves 40). 단백질과 관련된 IGN을 통해 배고픔을 조절하는 MOR의 인과적 효과는 노크아웃 실험을 통해 확인되었습니다. MOR 노크아웃 마우스는 올리고펩타이드에 대한 반응으로 IGN을 유도하지 않으며 PED에 무감각합니다. 또한 장 내 G6pc1 결손 마우스는 문맥 정맥 내 MOR 길항제 또는 펩타이드 투여에 대한 반응으로 식이 섭취량이 감소하지 않습니다(Duraffourd, De Vadder 및 Goncalves 40).

요약하면,

PED는 문맥 정맥 수준에서 시작되는

두 단계의 장-뇌 신호를 유도합니다(그림 2).

MOR에 의한 펩타이드의 첫 번째 검출은

식후 기간에 시작되어 유전자 유도 과정을 통해 IGN을 유발합니다.

이 과정은 진행성이며 식후 기간 전체에 걸쳐 발생합니다.

IGN 유도 후, 문맥 포도당 신호는 흡수 후 기간 동안 포만감을 유발할 수 있습니다(그림 2).

이 과정은 식후 기간 이후에도 지속될 수 있으며,

이는 효소 수준에서의 강력한 유도(참고 문헌 Duraffourd, De Vadder 및 Goncalves40)에 달려 있습니다.

또한 IGN의 주요 기질인

글루타민과 글루타메이트는

모든 영양 상태에서 혈액에 높은 농도로 존재합니다.

따라서

단백질 식이의 포만감 효과에 대한 IGN의 역할을 규명하는 것은

그 효과를 설명하는 메커니즘적 근거를 제공했습니다.

Fig. 2. Sequential activation of intestinal gluconeogenesis (IGN) after a protein-enriched meal. The digestion of protein-enriched meal leads to the release of peptides in the portal vein. The antagonist effect of peptides on μ-opioid receptors (MOR) during the post-prandial period activates a gut–brain signal transmitted by the vagal and spinal nerves. Then, a brain–gut neural signal induces the regulatory genes of IGN. This is progressive and takes place over the entire postprandial period. During the post-absorptive period, glucose can be produced from gluconeogenic substrates (glutamine (Gln) or Glutamate (Glu) from protein digestion or from the blood), released in the portal vein and detected by the sodium-glucose co-transporter 3 (SGLT3) receptor. This portal glucose signal induces neuronal activity in the parabrachial nucleus (PBN) through the spinal nerves and in the hypothalamus (PVN, paraventricular nucleus). This may continue after the postprandial period, since it depends on robust induction at the enzyme level, and the permanent availability of IGN substrates, such as Gln or Glu(Reference Duraffourd, De Vadder and Goncalves40). NTS, nucleus of the solitary tract.

그림 2. 단백질 풍부한 식사 후 장 내 글루코네오게네시스(IGN)의 순차적 활성화.

단백질 풍부한 식사의 소화 과정은 문맥정맥을 통해 펩타이드를 방출합니다. 식후 기간 동안 펩타이드의 μ-오피오이드 수용체(MOR)에 대한 억제 효과는 미주 신경과 척추 신경을 통해 전달되는 장-뇌 신호를 활성화합니다. 이후 뇌-장 신경 신호는 IGN의 조절 유전자를 유도합니다. 이 과정은 점진적으로 진행되며 식후 전체 기간에 걸쳐 발생합니다. 흡수 후 기간 동안 단백질 소화나 혈액에서 유래한 글루코네오제네시스 기질(글루타민(Gln) 또는 글루타메이트(Glu))로부터 글루코스가 생성되어 문맥정맥으로 방출되며, 이는 나트륨-글루코스 공수송체 3(SGLT3) 수용체에 의해 감지됩니다. 이 문맥 포도당 신호는 척추 신경계를 통해 파라브라키얼 핵(PBN)과 시상하부(PVN, 파라벤트리쿨러 핵)의 신경 활동을 유도합니다. 이는 식후 기간 이후에도 지속될 수 있으며, 이는 효소 수준에서의 강력한 유도 및 Gln 또는 Glu와 같은 IGN 기질의 지속적인 가용성에 달려 있습니다(참고 문헌 Duraffourd, De Vadder 및 Goncalves40). NTS, 단독 신경핵.

Brain targets of portal glucose signal and protein diets

Hunger is determined at the level of the brain, which integrates circulating and nervous signal from the periphery. The hypothalamus and brain stem are the regions historically most studied for the control of food intake and energy metabolism.

The regions of the brain stem that receive vagal afferents (i.e. the dorsal vagal complex) and those that receive spinal afferents (i.e. the parabrachial nucleus) are both activated by PED (as revealed by C-FOS labelling in rats), suggesting that they are both involved in the reflex arc initiated by IGN induction(Reference Fromentin, Darcel and Chaumontet8,Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Mithieux, Misery and Magnan17) . However, the surgical disruption of either the vagal or the spinal afferents to the brain suggests that portal glucose signalling is conveyed to the central nervous system by the spinal route and not by the vagal route(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Delaere, Duchampt and Mounien25) . Infusion of portal glucose activates the expression‎ of C-FOS only in the parabrachial nucleus(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16), and not in the dorsal vagal complex, which confirm‎s the surgical data.

In addition to the parabrachial nucleus, PED and portal glucose infusion also activate the expression‎ of C-FOS in the area of the hypothalamus involved in the control of food intake, such as the arcuate nucleus(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Faipoux, Tomé and Gougis46) . This region contains the first-order neurons of the melanocortinergic system, which is the main regulator of food intake and energy homeostasis in the hypothalamus. Neurons present in the arcuate nucleus have specific access to nutrients and hormones of the blood flow via the fenestrated capillaries of the median eminence. More precisely, neurons co-expressing proopiomelanocortin and cocaine-amphetamine-related transcript rapidly respond to nutritional information by inducing anorexigenic signals. Proopiomelanocortin is cleaved into melanocyte-stimulating hormone, which exerts anorectic stimuli by binding to melanocortin receptors (MC3 and MC4R) on second-order neurons of the paraventricular nucleus. Conversely, neurons co-expressing neuropeptide Y and agouti-related protein induce orexigenic signals. Neuropeptide Y/agouti-related protein neurons have an opposite effect to proopiomelanocortin/cocaine-amphetamine-related neurons through the antagonism of agouti-related protein on MC3R and MC4R. PED and portal glucose infusion increase the proportion of activated neurons in the arcuate nucleus, suggesting the involvement of the melanocortinergic system in their effect on food intake(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Faipoux, Tomé and Gougis46) .

Finally, both PED and portal glucose signal also induce C-FOS activation in olfactory and other limbic and cortical areas, including those functionally implicated in reward(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16,Reference Darcel, Fromentin and Raybould47) . In addition to satiety and metabolic effects primarily identified, IGN primed by PED may thus influence behavioural adaptation via a network including the hypothalamus and the sensory and corticolimbic systems(Reference Delaere, Akaoka and De Vadder16). Consistently, high-protein diet was shown to modulate the reactivity of corticolimbic brain area (hippocampus, orbitofrontal cortex and striatum) in response to food cues in women(Reference Leidy, Ortinau and Douglas48,Reference Griffioen-Roose, Smeets and van den Heuvel49) .

Beneficial effects of protein-enriched diet and intestinal gluconeogenesis on whole-body metabolism

Increasing the proportion of dietary proteins for a few weeks markedly improves glucose tolerance in the short term in type 2 diabetic patients without any effect on body weight(Reference Gannon and Nuttall9,Reference Gannon, Nuttall and Saeed11) .

Precisely, increasing the amount of protein in the diet from 15 to 30 % (with a parallel decrease of carbohydrates from 55 to 40 %) during 5 weeks only decreased the fasting glucose response by 38 % and the percentage of total glycohaemoglobin from 8⋅1 to 7⋅3. These clinical studies suggest a beneficial effect of PED on glucose homeostasis independently of their effect on food intake and body weight management(Reference Gannon and Nuttall10,Reference Layman, Clifton and Gannon50) .

Besides increasing IGN, PED leads to a redistribution of EGP among gluconeogenic organs (Fig. 1)(Reference Pillot, Soty and Gautier-Stein28). PED induces the expression‎ of the key gluconeogenic genes in the kidney leading to an increase in renal gluconeogenesis up to about 45 % of total EGP(Reference Pillot, Soty and Gautier-Stein28). Both renal gluconeogenesis and IGN are induced without a global increase in EGP, suggesting a reduction in liver glucose production. It must be recalled here the opposite effects of liver and intestinal gluconeogeneses on glucose homeostasis. On the contrary to the benefits conferred by IGN, increased hepatic gluconeogenesis (HGN) is deleterious for glucose control. HGN is increased in type 2 diabetic patients(Reference Granner and O'Brien51,Reference Magnusson, Rothman and Katz52) and increased HGN in genetically manipulated rats is sufficient to initiate insulin resistance(Reference Trinh, O'Doherty and Anderson53). Consistently, the suppression of HGN by targeted deletion of G6Pase in the liver confers strong protection against the development of diabetes induced by a high-fat/high-sucrose diet(Reference Abdul-Wahed, Gautier-Stein and Casteras54). Therefore, HGN and IGN exert opposite effects on glucose control: increased HGN promotes metabolic anomalies, whereas IGN promotes metabolic benefits via portal glucose signalling. Given the deleterious role of HGP in glucose homeostasis, the reduction in liver glucose production by PED may impact insulin sensitivity and glucose homeostasis. Indeed, PED markedly ameliorates the suppression of EGP by insulin whereas having no effect on peripheral glucose uptake(Reference Pillot, Soty and Gautier-Stein28). More precisely, insulin suppression of EGP in PED-fed rats concerns mainly the glycogenolysis pathway. In keeping with this proposal, hepatic glycogen stores are higher in PED-fed rats upon insulin stimulation. In agreement with a causal role of IGN in the beneficial effect of PED on insulin sensitivity, mice lacking IGN develop a pre-diabetic state while fed a conventional diet, including elevated fasting glucose and insulin concentrations, glucose intolerance and insulin resistance, and defective insulin secretion in response to glucose(Reference Soty, Penhoat and Amigo-Correig55). Moreover, they are prone to diabetes since they become diabetic much more rapidly than their control counterparts under a high-fat/high-sucrose diet(Reference Soty, Penhoat and Amigo-Correig55). As for the regulation of food intake by PED, our results provide a mechanistic explanation for the rapid and spectacular improvement of glucose homeostasis observed in type 2 diabetic patients, upon increasing the proportion of protein in their diet(Reference Gannon and Nuttall9,Reference Gannon, Nuttall and Saeed11) .

포털 포도당 신호와 단백질 식이의 뇌 표적

배고픔은 주변에서 전달되는 순환 및 신경 신호를 통합하는 뇌 수준에서 결정됩니다. 시상하부와 뇌간은 식이 섭취와 에너지 대사 조절에 있어 역사적으로 가장 많이 연구된 뇌 영역입니다.

구심성 신경을 받는 뇌간 부위(즉, 등쪽 구심성 복합체)와 척추 구심성 신경을 받는 부위(즉, 뇌교핵)는 모두 PED에 의해 활성화되며(쥐의 C-FOS 표지 결과로 밝혀짐), 이는 두 부위가 모두 IGN 유도에 의해 시작되는 반사 아크에 관여하고 있음을 시사합니다(참고 문헌 Fromentin, Darcel 및 Chaumontet8,참고 문헌 Delaere, Akaoka 및 De Vadder16,참고 문헌 Mithieux, Misery 및 Magnan17) . 그러나, 뇌로 전달되는 미주 신경 또는 척추 구심성 신경의 외과적 파괴는 문맥 포도당 신호가 미주 신경 경로를 통하지 않고 척추 경로를 통해 중추 신경계로 전달된다는 것을 시사합니다(참고 문헌 Delaere, Akaoka 및 De Vadder16,참고 문헌 Delaere, Duchampt 및 Mounien25) . 문맥 포도당 주입은 파라브라키얼 핵(Delaere, Akaoka 및 De Vadder16)에서만 C-FOS 발현을 활성화하며, 복부 미주 신경 복합체에서는 활성화되지 않습니다. 이는 수술 데이터를 확인합니다.

파라브라키얼 핵 외에도 PED 및 문맥 포도당 주입은 식이 섭취 조절에 관여하는 시상하부 영역, 예를 들어 아크루에이트 핵(Delaere, Akaoka 및 De Vadder16, Faipoux, Tomé 및 Gougis46)에서 C-FOS 발현을 활성화합니다. 이 지역은 시상하부에서 식이 섭취와 에너지 균형의 주요 조절자인 멜라노코르틴계 시스템의 1차 신경세포를 포함합니다. 아크루에이트 핵에 존재하는 신경세포는 중간 돌기부의 구멍이 뚫린 모세혈관을 통해 혈류의 영양소와 호르몬에 특이적으로 접근할 수 있습니다. 더 구체적으로, 프로오피오멜라노코르틴과 코카인-암페타민 관련 전사체를 동시에 발현하는 신경세포는 영양 정보에 빠르게 반응하여 식욕 억제 신호를 유발합니다. 프로오피오멜라노코르틴은 멜라노사이트 자극 호르몬으로 분해되며, 이는 시상하부 측방핵의 2차 신경세포에 있는 멜라노코르틴 수용체(MC3 및 MC4R)에 결합하여 식욕 억제 자극을 유발합니다. 반면, 신경펩타이드 Y와 아구티 관련 단백질을 동시에 발현하는 신경세포는 식욕 촉진 신호를 유도합니다. 신경펩타이드 Y/아구티 관련 단백질 신경세포는 아구티 관련 단백질이 MC3R과 MC4R에 대한 길항 작용을 통해 프로오피오멜라노코르틴/코카인-암페타민 관련 신경세포와 반대 효과를 나타냅니다. PED와 문맥 포도당 주입은 아크루에이트 핵의 활성화된 신경세포 비율을 증가시켜, 이들이 식이 섭취에 미치는 영향에 멜라노코르틴계가 관여함을 시사합니다(참고 문헌 Delaere, Akaoka 및 De Vadder16,참고 문헌 Faipoux, Tomé 및 Gougis46).

마지막으로, PED와 문맥 포도당 신호는 모두 후각 및 기타 편도체와 피질 영역, 특히 보상과 기능적으로 연관된 영역에서 C-FOS 활성화를 유도합니다(Delaere, Akaoka 및 De Vadder16, Darcel, Fromentin 및 Raybould47). 포만감과 대사 효과 외에도, PED에 의해 유발된 IGN은 시상하부 및 감각 및 대뇌변연계 시스템을 포함한 네트워크를 통해 행동 적응에 영향을 미칠 수 있습니다(Delaere, Akaoka 및 De Vadder 16). 일관되게, 고단백 식단은 여성에서 음식 자극에 대한 대뇌피질-한계계 뇌 영역(해마, 전두엽 피질 및 스트라이ATUM)의 반응성을 조절하는 것으로 나타났습니다(Leidy, Ortinau 및 Douglas48,Griffioen-Roose, Smeets 및 van den Heuvel49).

단백질 강화 식단과 장내 글루코네오게네시스(gluconeogenesis)가 전신 대사(whole-body metabolism)에 미치는 유익한 효과

식이 단백질의 비율을 몇 주 동안 증가시키면 제2형 당뇨병 환자의 단기 혈당 내성이 현저히 개선되며 체중에는 영향을 미치지 않습니다(참고 문헌 Gannon and Nuttall9,참고 문헌 Gannon, Nuttall and Saeed11).

구체적으로, 식이 단백질 함량을 15%에서 30%로 증가시키고(탄수화물 함량은 55%에서 40%로 감소) 5주간 유지했을 때, 공복 혈당 반응이 38% 감소했으며 총 당화 헤모글로빈 비율은 8.1%에서 7.3%로 감소했습니다. 이 임상 연구들은 PED가 식이 섭취량 및 체중 관리에 대한 영향과 무관하게 혈당 균형에 유익한 효과를 갖는다는 것을 시사합니다(참고문헌 Gannon and Nuttall10,참고문헌 Layman, Clifton and Gannon50).

IGN을 증가시키는 것 외에도, PED는 글루코네오겐성 기관 간 EGP의 재분배를 유발합니다(그림 1)(참고문헌 Pillot, Soty and Gautier-Stein28). PED는 신장에서 주요 글루코네오겐시스 유전자의 발현을 유도하여 신장 글루코네오겐시스가 총 EGP의 약 45%까지 증가합니다(Pillot, Soty 및 Gautier-Stein28). 신장 글루코네오겐시스 및 IGN은 EGP의 전체적인 증가 없이 유도되며, 이는 간 글루코스 생산의 감소 가능성을 시사합니다. 여기서 간과 장의 글루코네오겐시스가 혈당 균형에 미치는 반대 효과를 상기해야 합니다. 반면 IGN의 이점과 달리 간 글루코네오게네시스(HGN)의 증가는 글루코스 조절에 해롭습니다. HGN은 제2형 당뇨병 환자에서 증가하며(참고 문헌 Granner and O'Brien51,참고 문헌 Magnusson, Rothman and Katz52), 유전적으로 조작된 쥐에서 HGN의 증가는 인슐린 저항성을 유발하기에 충분합니다(참고 문헌 Trinh, O'Doherty and Anderson53). 일관되게, 간에서 G6Pase를 표적 삭제하여 HGN을 억제하면 고지방/고당분 식이로 유발된 당뇨병 발병에 대한 강력한 보호 효과를 제공합니다(참고 문헌 Abdul-Wahed, Gautier-Stein 및 Casteras54). 따라서 HGN과 IGN은 포도당 조절에 반대되는 효과를 발휘합니다: HGN 증가가 대사 이상을 촉진하는 반면, IGN은 문맥 포도당 신호전달을 통해 대사적 이점을 제공합니다. HGP가 포도당 항상성에 미치는 유해한 역할을 고려할 때, PED에 의한 간 포도당 생산 감소는 인슐린 민감성과 포도당 항상성에 영향을 미칠 수 있습니다. 실제로 PED는 인슐린에 의한 EGP 억제를 현저히 완화하지만, 말초 포도당 흡수에는 영향을 미치지 않습니다(Pillot, Soty 및 Gautier-Stein28). 더 정확히 말하면, PED를 섭취한 쥐에서 인슐린에 의한 EGP 억제는 주로 글리코겐 분해 경로를 통해 발생합니다. 이 제안과 일치하게, PED를 투여받은 쥐에서 인슐린 자극 시 간 글리코겐 저장량이 더 높습니다. IGN이 PED의 인슐린 감수성 개선 효과에 원인적 역할을 한다는 점을 뒷받침하듯, IGN이 결핍된 쥐는 일반 식이에서 전당뇨 상태를 나타내며, 공복 혈당 및 인슐린 농도 상승, 포도당 내성 장애, 포도당에 대한 인슐린 분비 장애를 보입니다(Soty, Penhoat 및 Amigo-Correig55). 또한, 이들은 고지방/고과당 식이에서 대조군에 비해 훨씬 빠르게 당뇨병으로 진행됩니다(Soty, Penhoat 및 Amigo-Correig55). PED에 의한 식이 섭취 조절에 관해서는, 우리 연구 결과는 식이 단백질 비율을 증가시킬 때 2형 당뇨병 환자의 혈당 균형이 급속히 개선되는 현상의 메커니즘적 설명을 제공합니다(참고문헌 Gannon and Nuttall9, Gannon, Nuttall and Saeed11).

Future directions

By characterizing the link between PED and IGN, we identified the mechanism underlying the satiety effect of proteins. Then, studies on mice model of GM IGN have allowed us to identify the different functions controlled by the portal glucose signal(Reference Soty, Gautier-Stein and Rajas56). However, several steps must be completed before the validation of a therapeutic strategy in human health.

In terms of basic research, determining whether proteins of different origins have the same effect on IGN could help guide choices in nutritional recommendations. Proteins are metabolised by the microbiota to produce SCFA (which are associated with beneficial effects on health) but also other components that may promote intestinal inflammation and colorectal cancer(Reference Diether and Willing57). The amount of these beneficial/deleterious bioactive end-products may vary in function of the nature of the protein in the diet(Reference Diether and Willing57,Reference Blachier, Beaumont and Portune58) . The simultaneous analyses of microbiota and metabolites from feces of PED-fed mice should help us to identify the beneficial compounds from protein digestion, which exhibit increasing specificity and efficiency to induce IGN. These results should help in establishing nutritional recommendations that improve metabolic outcomes and have no impact on the gut environment.

The gold standard method to measure IGN is based on glucose radioactive tracers and the estimation of their specific activity in the artery and vein surrounding the intestine, i.e. the systemic and portal blood, respectively, in our experiments. In human subjects, access to portal blood is possible in specific situations, mainly during surgeries such as gastric by-pass or liver transplantation, which has permitted to confirm‎ the gluconeogenic capacity of the human intestine(Reference Battezzati, Caumo and Martino34–Reference Mithieux36). However, blood sampling from the portal vein of healthy individual presents medical dangers. Consequently, the currently available techniques do not allow us to monitor IGN in patients and to validate and further document the beneficial effects of this function on human health. Then, the specific mouse models we developed in the laboratory should be used to solve this issue. Untargeted MS methods applied to mouse with a genetic deletion or induction of IGN should help us to identify circulating biomarkers in relation with IGN. Such markers could then be used in translational studies to assess the role of IGN in human metabolism. The same markers could help us to assess the capacity of diet, nutrients or even drugs to induce IGN and mediate its beneficial effect on human health.

미래 방향

PED와 IGN 간의 연관성을 특성화함으로써 우리는 단백질의 포만감 효과의 기전을 규명했습니다. 이후 GM IGN 마우스 모델을 활용한 연구를 통해 문맥 포도당 신호가 조절하는 다양한 기능을 식별했습니다(Soty, Gautier-Stein 및 Rajas56). 그러나 인간 건강에서 치료 전략의 유효성을 검증하기 전에 여러 단계가 추가로 필요합니다.

기본 연구 측면에서, 다양한 출처의 단백질이 IGN에 동일한 영향을 미치는지 확인하는 것은 영양 권장 사항을 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 단백질은 미생물에 의해 대사되어 SCFA(건강에 유익한 효과를 가진 것으로 알려져 있음)를 생성하지만, 장 염증과 대장암을 촉진할 수 있는 다른 성분도 생성됩니다(참고 문헌 Diether and Willing57). 이러한 유익/유해 생물활성 최종 산물의 양은 식이 단백질의 종류에 따라 달라질 수 있습니다(Reference Diether and Willing57,Reference Blachier, Beaumont and Portune58). PED를 섭취한 쥐의 분변에서 미생물군집과 대사물을 동시에 분석하면 단백질 소화 과정에서 생성되는 유익한 화합물을 식별하는 데 도움이 될 것이며, 이는 IGN을 유도하는 특이성과 효율성이 점차 증가하는 특성을 보일 것입니다. 이러한 결과는 대사 결과를 개선하고 장 환경에 영향을 미치지 않는 영양 권장 사항을 수립하는 데 도움이 될 것입니다.

IGN을 측정하는 금 표준 방법은 장 주변 동맥과 정맥(즉, 체순환 혈액과 문맥 혈액)에서 방사성 포도당 추적자의 특정 활성을 추정하는 것입니다. 인간 대상에서는 문맥 혈액에 접근이 가능한 특정 상황, 주로 위 우회술이나 간 이식 수술 시에 가능하며, 이는 인간 장의 글루코네오겐시스 능력을 확인하는 데 기여했습니다(참고문헌 Battezzati, Caumo 및 Martino34–참고문헌 Mithieux36). 그러나 건강한 개인의 문맥 정맥에서 혈액을 채취하는 것은 의료적 위험을 수반합니다. 따라서 현재 이용 가능한 기술로는 환자에서 IGN을 모니터링하거나 이 기능이 인간 건강에 미치는 유익한 효과를 검증하고 추가로 문서화할 수 없습니다. 따라서, 실험실에서 개발한 특정 마우스 모델을 이 문제를 해결하기 위해 활용해야 합니다. IGN의 유전적 결손 또는 유도된 마우스에 적용된 비표적 MS 방법은 IGN과 관련된 순환 바이오마커를 식별하는 데 도움을 줄 것입니다. 이러한 마커는 인간 대사에서의 IGN의 역할을 평가하기 위한 전환 연구에 활용될 수 있습니다. 동일한 마커는 식이, 영양소 또는 약물이 IGN을 유도하고 그 유익한 효과를 매개하는 능력을 평가하는 데도 도움을 줄 수 있습니다.

Conclusions

The use of PED in the improvement of the metabolic status of obese and diabetic patients is still a matter of debate(Reference Drummen, Tischmann and Gatta-Cherifi6,Reference Portune, Beaumont and Davila59,Reference Ullah, Rauf and Nabi60) and the mechanisms of these beneficial effects are not completely identified. Using rodent models, we identify IGN and a gut–brain signal triggered by protein digestion as the mechanism underlying the satiety effect of proteins. Using the same models, we highlighted that IGN is the mechanistic link of the beneficial effect of protein-enriched diet on plasma glucose control. While the gluconeogenic capacity of the intestine has been demonstrated in human subjects, the lack of current techniques allowing a longitudinal measurement of IGN in patients prevents the development of translational studies. Further studies on the links between PED and IGN and new IGN measurement techniques should pave the way for the identification of new nutritional approaches to prevent the serious metabolic consequences of both obesity and diabetes.

결론

비만 및 당뇨병 환자의 대사 상태 개선을 위한 PED의 사용은 여전히 논쟁의 대상입니다(Drummen, Tischmann 및 Gatta-Cherifi6, Portune, Beaumont 및 Davila59, Ullah, Rauf 및 Nabi60)이며, 이러한 유익한 효과의 메커니즘은 완전히 규명되지 않았습니다. 쥐 모델을 통해 우리는 단백질 소화 의해 유발되는 IGN과 장-뇌 신호가 단백질의 포만감 효과의 메커니즘임을 확인했습니다. 동일한 모델을 통해 단백질 풍부한 식단이 혈장 포도당 조절에 미치는 유익한 효과의 메커니즘적 연결고리로 IGN을 강조했습니다. 장의 글루코네오겐시스 능력은 인간 대상에서 입증되었지만, 환자에서 IGN을 장기적으로 측정할 수 있는 현재 기술의 부재는 번역 연구의 발전을 방해하고 있습니다. PED와 IGN 간의 연관성을 탐구하고 새로운 IGN 측정 기술을 개발하는 추가 연구는 비만과 당뇨병의 심각한 대사적 합병증을 예방하기 위한 새로운 영양학적 접근법을 식별하는 데 기여할 것입니다.

Acknowledgement

The authors thank all laboratory members who have contributed to these works. The authors thank the Centre National de la Recherche Scientifique (F. R. and G. M.) and the Institut National de la Recherche Agronomique (A. G. -S.) for funding their positions. Additionally, the Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale and the Université Lyon 1 provided laboratory funding and housing.