현대 영양학의 진화와 개인 맞춤형 건강 관리

분자영양학과 맞춤형 식이요법: 현대 영양학의 발전

인간 영양학은 비교적 새로운 학문으로, 약 100년 전에 시작되었습니다. 초기에는 지역적 역학 연구를 통해 발전했으며, 현재는 개인의 생체 분석 프로필을 이해하고 약리학과 통합되었습니다. 아시아와 그리스 문화는 음식이 건강에 미치는 영향을 오래전부터 인식하고 있었습니다. 히포크라테스는 이미 4세기 B.C.에 음식이 첫 번째 약이 될 수 있음을 강조했습니다. 오늘날 우리는 유전자 특성에 따라 식습관이 건강에 미치는 영향을 더 잘 이해하게 되었습니다. 인류는 자연주의 시대부터 화학-분석 시대, 생물학 시대를 거치면서 음식의 구성과 영양소의 역할에 대해 더 많이 알게 되었습니다. 분자 생물학의 급속한 발전은 분자영양학이라는 새로운 학문을 탄생시켰습니다. 이는 유전자와 환경의 상호작용, 만성 퇴행성 질환과 영양의 관계 등을 연구합니다. 20세기 후반에는 식이 성분과 질병 메커니즘에 대한 이해가 크게 발전하면서 식품 교육과 영양 상담의 기초가 마련되었습니다. 또한, 인간 게놈 프로젝트의 성공과 정밀한 분자 생물학 도구의 발전은 영양 유전체학과 대사체학의 발전을 이끌었습니다. 분자영양학은 영양소의 역할과 작용 메커니즘을 탐구하며, 유전자-영양소 상호작용을 이해하여 개인 맞춤형 식이요법을 가능하게 합니다. 이는 질병 예방과 건강 증진에 중요한 역할을 할 것입니다. 특히, P4 의료(예측, 예방, 맞춤형, 참여형)는 시스템 의학 도구를 사용하여 개인의 건강 상태를 정량화하고 병리학을 명확히 합니다. 이 리뷰의 목적은 오믹스 과학을 적용하여 개인 맞춤형 지중해식 식단을 제안하고 만성 퇴행성 질환(CDDs) 치료에 대한 지침을 제공하는 것입니다.

유전-환경 상호작용과 만성 질환: 건강에서 질병으로의 변화

건강에서 질병으로의 변화는 유전자 및 단백질 발현의 변화로 인해 서서히 진행됩니다. 지난 세기 동안 식이 변화로 인해 발생한 주요 만성 질환에는 비만, 대사 증후군, 골다공증, 제2형 당뇨병(T2DM), 심혈관 질환(CVD), 만성 신장 질환, 신경퇴행성 질환, 암 등이 있습니다. 이러한 질병들은 다양한 유전자/단백질과 환경 요인(예: 영양소 및 생리활성 식품 성분)의 복잡한 상호작용으로 인해 발생합니다. 대사 표현형은 유전자형과 환경, 그리고 이 둘의 상호작용에 의해 결정되며, 이는 유전자-영양소 상호작용을 통해 질병 발병에 대한 개인의 취약성을 설명합니다. 지난 30년 동안 비만과 관련 질병의 발생률은 100배 이상 증가했으며, 비만은 약 40가지 단일 유전자 질환이나 염색체 이상과 관련이 있습니다. 특히 멜라노코르틴-4 수용체(MC4R) 결핍은 가장 흔한 단일 유전자 형태의 비만으로, 비만 아동의 0.5%에서 4%에 영향을 미칩니다. 심각한 비만의 경우 여러 유전 변이의 누적 효과가 비만에 대한 유전적 취약성을 결정할 수 있으며, 600개 이상의 유전자와 DNA 영역이 인간 비만과 관련이 있습니다. 그 중에서도 FTO 유전자의 변이가 특히 중요하며, 이 유전자는 에너지 항상성에 중요한 역할을 하며 고지방 식단에 노출되면 발현이 조절됩니다. FTO rs9939609 변이의 AA 유전자형은 식욕 변화와 음식 섭취 증가와 관련이 있으며, MTHFR 유전자의 C677T 다형성과 MTRR 유전자의 A66G 다형성도 비만과 관련이 있습니다. 이러한 연구 결과는 유전자와 환경 요인의 복잡한 상호작용이 만성 질환의 발병에 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

 

유전자와 영양소의 상호작용이 비만과 대사 질환에 미치는 영향

비만, 이상지질혈증, 인슐린 저항성 및 심혈관 대사 질환의 염증 과정에서 TNFα는 중요한 역할을 합니다. 사람의 골격근과 지방 조직에서 TNFα mRNA 수치는 BMI, 지방량, 인슐린 수치와 양의 상관관계를 보이며, 지질단백질 리파아제 활성과는 음의 상관관계를 가집니다. 인슐린 저항성을 가진 비만 쥐를 대상으로 한 연구에서 TNFα를 중화하면 인슐린 민감성이 증가하고 혈장 인슐린 수치가 정상에 가까워지는 것으로 나타났습니다. TNFα의 G/A 308 다형성은 단독으로 공복 혈당, 식후 중성지방 수치 및 지방이 많은 식사 후 BMI와 상관관계가 있습니다. 또한 TNFR-2 유전자의 이상이 비만, 인슐린 저항성 및 렙틴 수치 증가 사이의 연결을 설명할 수 있습니다. IL-6는 면역을 조절하고 염증의 급성 단계를 유도하는 사이토카인으로, 지방 조직에서 방출되며 혈청 농도는 비만 지수와 관련이 있습니다. IL-6 유전자의 프로모터에 있는 G174C 다형성은 이 유전자의 전사를 조절하며, G 알레일은 마른 사람들 사이에서 더 흔합니다. G174G 또는 G174C 유전자형을 가진 사람들은 C174C 유전자형을 가진 사람들보다 에너지 소비가 더 높습니다. 병적 비만 환자에서 체중 감량 수술 후 기대한 만큼 체중이 줄지 않는 경우, 이는 유전적 배경에 의해 영향을 받을 수 있습니다. G174G 또는 G174C 유전자형을 가진 환자들은 같은 식이 치료를 받더라도 체중을 더 쉽게 감량하는 경향이 있습니다. 유전자와 영양소의 상호작용을 조사하고 개인 맞춤형 식단으로 건강을 개선하기 위해 "-오믹" 과학이 도입되었습니다. 이 과학은 표현형과 유전자형을 기반으로 각 하위 그룹에 대한 지침을 설정하는 데 도움을 줍니다.

 

유전체학과 영양학의 상호작용: 개인 맞춤형 건강관리의 미래

유전체학과 영양학의 결합을 다루는 "-오믹" 과학은 최근의 학문으로, 특정 생물학적 샘플에서 분자 변화를 식별할 수 있습니다. 영양유전체학은 유전자와 영양소의 상호작용을 연구하며, 이는 개인의 건강과 질병 상태를 결정할 수 있습니다. 영양유전학은 개인의 유전자 변이에 따른 특정 영양소에 대한 임상적 반응을 연구하는 분야입니다. 예를 들어, 일부 영양소는 유전자 발현을 조절하여 염증, 혈관 신생 및 세포 증식을 조절할 수 있습니다. 비만, 제2형 당뇨병 및 암과 같은 만성 퇴행성 질환(CDD)에 대한 유전적 소인이 있는 사람들은 생활 습관의 긍정적인 변화로 이러한 위험을 줄일 수 있습니다. 특히, 다중불포화지방산(PUFA)과 같은 특정 영양소는 지질 대사와 혈압 정상화, 항염증 및 항부정맥 효과를 통해 심장 보호 역할을 합니다. 또한, 셀레늄과 아연과 같은 미량 원소는 유전자 발현과 암 예방에 중요한 역할을 합니다. 영양유전체학 연구는 개인 맞춤형 식이-영양 계획의 개발을 가능하게 했으며, 이는 유전자와 영양소의 상호작용을 기반으로 합니다. 이러한 접근 방식은 염증, 암 및 기타 질병의 예방 및 관리를 위한 새로운 치료 목표를 제시합니다.

 

유전체와 영양소의 상호작용을 통한 건강 관리

에피제네틱스와 에피제노믹스: 에피제네틱스는 유전자 발현과 비활성화를 연구하는 학문으로, 이는 유전자와 단백질의 인과관계를 의미합니다. 에피제네틱 과정은 염기 서열을 변경하지 않고 DNA를 수정하며, 이러한 과정에는 DNA 메틸화와 아세틸화, 히스톤 메틸화, 인산화, 유비퀴틴화가 포함됩니다. 음식 속의 생리 활성 성분들은 에피제네틱 메커니즘을 통해 유전자 발현을 조절할 수 있습니다. 프로테오믹스와 메타볼로믹스: 프로테오믹스는 특정 시간에 세포, 장기, 또는 유기체 내의 단백질 구성을 결정하는 학문입니다. 단백질은 유전체보다 역동적이며, 유전자 발현 후 변화나 번역 후 수정을 통해 복잡해집니다. 인간 유전체에서 40,000개 이상의 유전자가 50만 개 이상의 단백질 합성을 가능하게 하며, 이는 신체의 지문 역할을 합니다. 단백질은 다양한 세포 활동을 수행할 수 있어 "멀티태스킹 단백질"로 불리며, 이들은 서로 다른 리간드에 따라 다양한 기능을 할 수 있습니다. 메타볼로믹스: 메타볼로믹스는 단백질 외의 저분자량 대사 산물의 역할을 연구하는 학문입니다. 이는 영양 요소에 대한 유전자 및 단백질 반응 측정을 포함하여 대사체의 동적 특성을 정량화합니다. 대사체는 시간에 따라 동적이며, 유전자 발현이나 대사 상태가 나이, 호르몬 상태 및 건강 상태에 따라 크게 달라집니다. 이는 개별 영양 요구 사항을 정의할 수 있는 새로운 접근법을 제시합니다. 이러한 연구들은 유전자와 영양소의 상호작용을 이해하고, 이를 통해 개인 맞춤형 건강 관리 계획을 세우는 데 중요한 역할을 합니다.

 

 

건강을 위한 영양소의 역할과 질병 예방

질병에서 건강으로 건강과 질병 사이의 균형은 식이 화학 성분에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 식단과 생활 습관은 여러 만성 질환(CDD)의 중요한 위험 요소입니다. 많은 생리 활성 성분(BFC)은 항고혈압, 항산화, 항혈전, 저콜레스테롤, 저트리글리세라이드 및 항비만 효과를 가지고 있습니다. 올바른 영양소와 생리 활성 식품의 섭취를 기반으로 한 올바른 생활 습관은 질병 발생 위험을 낮추고 수명을 연장시킵니다. 지중해 식단(MD)은 항산화 물질을 공급하고 염증성 사이토카인을 줄여 여러 질병, 특히 심혈관 질환(CVD)의 발병을 지연시킵니다. 과일과 채소가 풍부한 식단은 심혈관 질환의 위험을 줄이는 것으로 나타났습니다. 이러한 식품들은 섬유질, 칼륨 및 엽산과 같은 영양소와 파이토케미컬을 포함하고 있습니다. ω6와 ω3 지방산은 유전자 발현과 대사를 조절하며, 지중해 식단에 포함된 올리브 오일과 해양 및 식물성 지방은 지방산 산화를 줄이고 제2형 당뇨병(T2DM)의 발병을 지연시킬 수 있습니다. 폴리페놀은 항산화, 항염, 항증식, 항당뇨 및 유전자 발현 수정 효과를 가지고 있으며, 지중해 식단은 혈류 내 지질 수준을 줄이고 산화 스트레스에 대한 보호 역할을 합니다. 지중해 식단의 일부 성분은 염증 상태의 화학적 매개체의 발현을 변경할 수 있으며, 식이 섬유와 ω3 지방산은 염증 상태에 긍정적인 영향을 미칩니다. DASH 다이어트와 OmniHeart 다이어트는 혈압과 지질 수치를 개선하여 심혈관 질환 위험을 줄이는 것으로 나타났습니다. 항산화제, 항염증제, 비타민 B6, B12, 엽산을 제공하고 포화 지방과 콜레스테롤을 줄이는 식이 조정은 신경퇴행성 질환 예방에 유용할 수 있습니다. BFC는 산화 스트레스와 대사 장애를 완충하는 역할을 할 뿐만 아니라, 인간 생리에서 중요한 요소로 작용합니다. 세포 과정의 복잡성을 나타내는 피라미드 모델은 세포의 분자 구성 요소와 환경적 요인이 밀접한 관계에 있음을 보여줍니다. 이러한 연구들은 올바른 영양 섭취와 생활 습관이 질병 예방과 건강 유지에 중요한 역할을 한다는 것을 강조합니다.

 

장내 미생물과 개인 맞춤형 영양

장내 미생물군은 인간의 장에 서식하는 미생물들의 집합입니다. 이 미생물군은 약 10¹⁴개의 미생물로 구성되어 있으며, 나이, 성별, 만성 질환, 인종 등 다양한 변수에 의해 영향을 받습니다. 장내 미생물의 균형은 건강 유지에 매우 중요합니다. 많은 연구에 따르면, Firmicutes와 Bacteroides의 비율 변화가 중심 비만 및 제2형 당뇨병(T2DM)과 같은 대사성 질환을 유발할 수 있습니다. 또한, 숙주의 유전자 발현 패턴, 식습관, 신체 활동, 약물 등도 장내 미생물의 풍부성과 다양성에 영향을 미칩니다. 모든 다량 영양소(단백질, 지방, 탄수화물)는 장내 미생물에 영향을 주어 그 구성을 변화시키며, 이는 숙주의 건강에 긍정적 또는 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 동물성 단백질 섭취는 단쇄 지방산(SCFA)을 감소시켜 염증성 장 질환(IBD)과 심혈관 질환(CVD) 위험을 증가시키지만, 식물성 단백질 섭취는 SCFA 생산을 증가시켜 항염증 효과와 장 점막의 무결성을 유지하는 데 기여합니다. 포화 지방 섭취는 인슐린 저항성과 백색 지방 조직(WAT) 염증을 증가시키지만, 불포화 지방 섭취는 WAT 염증, 총 콜레스테롤(TC) 및 저밀도 지단백(LDL) 콜레스테롤을 감소시킵니다. 최근 연구에 따르면 자연 유래의 소화 가능한 탄수화물은 인공 탄수화물에 비해 건강에 덜 부정적인 영향을 미칩니다. 인공 소화 탄수화물은 장내 미생물의 불균형과 탄수화물 불내성을 증가시키지만, 비소화성 탄수화물은 장내 미생물의 발효를 촉진하여 건강에 기여합니다. 비소화성 탄수화물은 프리바이오틱스로 작용하여 특정 유익균의 성장을 촉진하고, 이는 대사 및 면역 마커에 긍정적인 영향을 미칩니다. 장내 미생물군을 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 항생제 및 포스트바이오틱스를 통해 조절하는 것은 개인 맞춤형 영양 중재에 매우 효과적인 접근 방식으로 주목받고 있습니다. 특정 식단이나 식품이 장내 다양한 박테리아의 존재를 변화시켜 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 동물 모델과 인간을 대상으로 한 여러 연구는 장내 미생물이 건강 상태에 미치는 영향을 설명하려 노력하고 있습니다. 최근 연구에 따르면, 장내 미생물 조성을 포함한 임상 데이터를 통합하여 식사 후 혈당 수치를 예측할 수 있는 머신러닝 알고리즘이 개발되었습니다. 이는 식사 후 혈당 수치를 낮추는 데 유용하며, 이러한 개인 맞춤형 중재의 장기적인 효과를 연구할 필요가 있습니다. 식이와 장내 미생물, 건강 사이의 상호작용은 새로운 치료 전략을 제시합니다. 이는 특정 식단 변경을 통해 대사 건강을 개선하고 특정 박테리아 종의 성장을 촉진하는 등 다양한 방식으로 숙주의 면역 체계를 조절합니다. 개인 맞춤형 영양은 강력한 유전적 요소를 가진 질병 관리에 새로운 접근법을 제공할 수 있으며, 장내 미생물을 포함한 새로운 도구를 개발하여 개인의 유전자와 미생물군에 맞춘 영양을 제공하는 것이 중요합니다. 이를 통해 만성 질환의 발병을 예방하고 예방 의학의 새로운 도전을 해결할 수 있습니다.

 

식품과 질병: Genomics 시대의 새로운 접근법

Genomics 기술의 발전으로 식품의 정의가 변화했습니다. 이제 음식은 단순히 에너지와 영양소를 제공하는 것이 아니라 건강의 질을 결정하는 중요한 요소로 간주됩니다. 음식은 에너지 공급의 기본 기능을 수행하는 것 외에도 생리 활성 성분을 기준으로 선택될 것입니다. BFC는 질병 치료에서 약물과 유사하게 작용할 것입니다. 음식과 약물은 불안정한 상태의 치료뿐만 아니라 예방 및 만성 질환(CDDs)의 치료에도 중요한 역할을 할 것입니다. 미량 영양소와 유전자 발현 사이의 관계를 통해 많은 병리 생리학적 현상을 설명할 수 있으며, 이는 CCDs의 발병을 지연시키는 주요 목표가 될 수 있습니다. 유전체학, 유전학, 후성유전학을 통한 유전자 연구와 나노기술 및 생명정보학의 지원을 받아 단백질체학 및 대사체학과 관련된 연구를 통해 세포-환경 및 유기체-영양소 상호작용에 대한 완전한 이해를 얻을 수 있을 것입니다. 영양소-유전자-대사물질 경로에 대한 더 나은 지식은 다양한 세포 연구 수준에서 공생 작용을 가능하게 할 것입니다. 이 맥락에서 장내 미생물과 음식 사이의 가능한 상호작용을 평가해야 합니다. 개인 맞춤형 영양은 유전자 발현이나 장내 미생물 구성에 미치는 영향을 기반으로 각 개인에게 가장 적합한 음식을 선택해야 합니다. 개인의 필요와 특성, 유전적 프로필을 고려함으로써 더 유용하고 성공적인 식단 프로토콜을 개발할 수 있습니다.

 

참고문헌

Di Renzo L, Gualtieri P, Romano L, Marrone G, Noce A, Pujia A, Perrone MA, Aiello V, Colica C, De Lorenzo A. Role of Personalized Nutrition in Chronic-Degenerative Diseases. Nutrients. 2019 Jul 24;11(8):1707. doi: 10.3390/nu11081707. PMID: 31344895; PMCID: PMC6723746.