Effect of maternal folate status on the methionine synthase activity and DNA methylation in the brain of the offspring

Abstract

Folate and its derivatives play an important role in the central nervous system. The cause diverse neurologic and neuropsychiartic disorders, seems to be related with folate deficiency. In this study, we observed the effects of maternal folate status on the methionine synthase activity and the DNA methylation in the brain of the offspring. The 6 weeks old female Sprague-Dawley rats were divided into 2 groups: fed folic acid sufficient diet group (FS) and folic acid deficient diet group (FD). This process began 2 week prior to the mating throughout the entire pregnancy period. After the delivery, the offspring were divided into 3 groups: folic acid sufficient diet for all times (FSS), folic acid sufficient during the lactation period (FDS) and folic acid deficient diet for all times (FDD) for 3 weeks. The group FDD which were 3 weeks old was divided into 2 subgroups: one group that were fed folic acid deficient diet for all times (FDDD) and the other group that were fed folic acid sufficient during the weaning period (FDDS) for 4 weeks. Also groups FSS and FDS were fed folic acid sufficient diet for more 4 weeks (FSSS and FDSS). The offspring which were 3 and 7 weeks old were sacrificed and their brains were collected. The methionine synthase activity was measured by using HPLC and the DNA methylation was measured by using the immunohistochemistry method. The methionine synthase activities in the brain of a 3 and 7 weeks old offsprings, were differed by brain region. The cortex methionine synthase activities of 3week old offspring significantly decrease in group FDD than in group FSS (p<0.05). But methionine synthase activities were not significantly different between all groups in the hippocampus and the spinal cord. The cortex and the hippocampus methionine synthase activities of 7 weeks old offspring were not significantly different between all groups. But spinal cord the methionine synthase activities in group FDD was significantly decreased than in group FSS. Also, the DNA methylation of the brain of 3 and 7 weeks old offspring was differed by brain region. The cortex DNA methylation of offsprings 3 weeks old offspring was significantly decreased in group FDD than in group FSS (p<0.05). But the DNA methylation was not significantly different between all groups in the hippocampus and the spinal cord. The cortex and hippocampus of DNA methylation of offspring that were 7 weeks old was not significantly different between all groups. But the DNA methylation in group FDDD was significantly decreased than it did in group FSSS in the spinal cord. (p<0.05) In conclusion, methionine sunthase activity in the brain of offspring was inhibited by maternal folic acid deficiency, which result the decrease of DNA methylation in the cortex and the spinal cord of the offspring. Also it might affect the development of a central nervous system in offsprings. Further studies are maternal folate status effect on the more segmentation of brain regions and the critical period of brain development in the offspring should be needed.;엽산은 인체 내에서 조효소로 작용하며 homocysteine을 메틸화 하여 methionine으로 전환 하는 역할을 하는데 이때 methionine 합성효소가 이에 관여 한다. Methionine은 S-adenosylmethionine (SAM) 으로 전환되며, SAM은 DNA가 메틸화 되는 과정에서 주된 메틸기 공여체로 작용한다. DNA 메틸화는 세포분화와 유전자 발현에서 중요한 역할을 한다. 본 연구는 어미 쥐의 임신기 엽산 영양상태가 자손 쥐의 뇌에서 methionine 합성효소의 활성과 DNA 메틸화에 미치는 영향을 알아보기 위해 수행되었다. 생후 6주령된 Sprague-Dawley종 암컷 흰쥐를 2군으로 나누어 엽산 충분 식이(8mg/kg, FS)와 엽산 결핍 식이(0mg/kg, FD)를 먹여 2주간 사육한 후, 교배시켰다. 출산 후에, FD군의 자손 쥐는 어미 쥐의 엽산 보충 유무에 따라 수유 시 엽산 보충군(FDS)과 수유 시 엽산 결핍군(FDD)로 나뉘고 FS군의 자손 쥐는 수유 시 엽산 충분군(FSS)로 어미 쥐의 엽산 충분식이를 유지하여 총 3군을 생후 3주되는 시점까지 사육하였다. 생후 3주부터 이유시기에, FDD군은 이유 식이를 통한 엽산 보충 유무에 따라 이유 시 엽산 보충군 (FDDS)과 이유 시 엽산 결핍군 (FDDD)으로 나뉘고 수유 시 엽산 충분군과 보충군은 식이를 그대로 유지하여 수유 및 이유 시 엽산 충분군 (FSSS)와 수유 및 이유 시 엽산 보충군(FDSS)으로 총 4군을 생후 7주되는 시점까지 사육하였다. 자손 쥐는 생후 3주와 7주에 희생시켜 뇌조직과 척수를 분리하였다. 뇌의 methionine 합성 효소의 활성은 HPLC를 이용하여 측정 하였고, DNA methylation는 면역조직화학염색법을 이용하여 분석하였다. 연구결과 methionine 합성 효소의 활성과 DNA 메틸화는 엽산 섭취 식이를 달리한 자손 쥐의 뇌에서 부위에 따라 다르게 나타났다. 생후 3주령 자손 쥐의 cortex 에서는 FDD와 FDS 군의 methionine 합성 효소의 활성이 FSS군 보다 유의적으로 낮게 나타났고, FDD군과 FDS군간의 유의적 차이는 없었다. Hippocampus와 spinal cord에서는 그룹간의 효소 활성에 유의적 차이가 없었다. 생후 7주령 자손 쥐의 경우 cortex와 hippocampus에서는 그룹 간 효소 활성의 차이가 없었다. 그러나 spinal cord에서는 FDDD군의 효소 활성이 FSSS와 FDSS에 비해 유의적으로 낮게 나타났다. 그러나 FSSS, FDSS, FDDS군 간의 효소 활성의 유의적 차이는 없었다. DNA 메틸화의 경우, 생후 3주령 자손 쥐의 cortex DNA 메틸화 비율은 FDD군이 FSS군과 FDS군에 비해 유의적으로 낮게 나타났으나 spinal cord와 hippocampus에서는 그룹간의 유의적 차이가 없었다. 생후 7주령 자손 쥐에서는, cortex와 hippocampus의 DNA 메틸화 비율은 그룹간의 차이가 없었다. 그러나 spinal cord에서는 다른 3군에 FDDD군의 DNA 메틸화 비율이 유의적으로 낮게 나타났다. 또한 FDDS와 FDSS의 DNA 메틸화는 FSSS군에 비해 유의적으로 낮았다. 결론적으로, 어미 쥐의 엽산 결핍은 자손 쥐의 cortex와 spinal cord부위에 영향을 주며, 이는 어미 쥐의 엽산 결핍이 자손 쥐의 뇌에서 methionine 합성 효소 활성을 저해하여 DNA 메틸화 비율을 감소시킨 것으로 추정된다. 특히 엽산의 결핍 시점과 연령에 따라서 뇌의 각 부위 별로 그 영향이 다르게 나타나, 엽산 결핍의 정도가 자손의 뇌 발달에 미치는 영향을 알 수 있었다. 이상의 연구 결과 모체의 엽산 결핍은 수유 및 이유기 자손들의 methionine 합성 효소 활성과 DNA 메틸화에 영향을 주는 것으로 나타났으며 이는 자손의 중추 신경계 발달에 영향을 미칠 수 있으므로 중요하다 하겠다. 후생 연구에는 자손의 희생시기를 세분화하고 사육기간을 늘려 장기적인 엽산 결핍이 연령별 뇌의 발달 시점에서 미치는 영향에 대한 연구가 수행 되어야 할 것이다.