A Critical Evaluation of the Correlation Between Biomarkers of Folate and Vitamin in Nutritional Homocysteinemia

Folate and vitamin $B_{12}$ are essential cofactors for homocysteine (Hcy) metabolism. Homocysteinemia has been related with cardiovascular and neurodegenerative disease. We examined the effect of folate and/or vitamin $B_{12}$ deficiency on biomarkers of one carbon metabolism in blood, liver and brain, and analyzed the correlation between vitamin biomarkers in mild and moderate homocysteinemia. In this study, Sprague-Dawley male rats (5 groups, n = 10) were fed folatesufficient diet (FS), folate-deficient diet (FD) with 0 or 3 g homocystine (FSH and FDH), and folate-/vitamin $B_{12}$-deficient diet with 3 g homocystine (FDHCD) for 8 weeks. The FDH diet induced mild homocysteinemia (plasma Hcy 17.41 ${\pm}$ 1.94 nmol/mL) and the FDHCD diet induced moderate homocysteinemia (plasma Hcy 44.13 ${\pm}$ 2.65 nmol/mL), respectively. Although liver and brain folate levels were significantly lower compared with those values of rats fed FS or FSH (p < 0.001, p < 0.01 respectively), there were no significant differences in folate levels in liver and brain among the rats fed FD, FDH and FDHCD diet. However, rats fed FDHCD showed higher plasma folate levels (126.5 ${\pm}$ 9.6 nmol/L) compared with rats fed FD and FDH (21.1 ${\pm}$ 1.4 nmol/L, 22.0 ${\pm}$ 2.2 nmol/L)(p < 0.001), which is the feature of "ethyl-folate trap"by vitamin $B_{12}$ deficiency. Plasma Hcy was correlated with hepatic folate (r = -0.641, p < 0.01) but not with plasma folate or brain folate in this experimental condition. However, as we eliminated FDHCD group during correlation test, plasma Hcy was correlated with plasma folate (r = -0.581, p < 0.01), hepatic folate (r = -0.684, p < 0.01) and brain folate (r = -0.321, p < 0.05). Hepatic S-adenosylmethionine (SAM) level was lower in rats fed FD, FDH and FDHCD than in rats fed FS and FSH (p < 0.001, p < 0.001 respectively) and hepatic S-adenosylhomocysteine (SAH) level was significantly higher in those groups. The SAH level in brain was also significantly increased in rats fed FDHCD (p < 0.05). However, brain SAM level was not affected by folate and/or vitamin $B_{12}$ deficiency. This result suggests that dietary folate- and vitamin B12-deficiency may inhibit methylation in brain by increasing SAH rather than decreasing SAM level, which may be closely associated with impaired cognitive function in nutritional homocysteinemia.

엽산과 비타민 결핍에 의한 호모시스테인혈증 흰쥐의 조직내 비타민 지표간의 상관관계 분석

본 연구는 흰쥐를 대상으로 엽산결핍 또는 엽산결핍/비타민 $B_{12}$결핍/0.3% 호모시스틴 식이의 공급을 통해 각각 경미한 호모시스테인혈증과 중위의 호모시스테인혈증을 유도한 후, 혈장, 간 및 뇌 조직내 메티오닌 대사회로 biomarker와 엽산 농도 사이의 상관관계를 분석함으로써 영양성 호모시스테인혈증의 특성을 규명할 목적으로 실시하였다. 6 주령 Sprague-Dawley 숫컷 쥐에게 엽산이 충분한 식이 (FS), 엽산결핍식이 (FD), 또는 동일 식이에 호모시스틴을 첨가한 식이 (FSH and FDH), 엽산결핍/비타민 $B_{12}$ 결핍/호모시스틴 첨가 식이 (FDHCD)를 8주간 공급하였다. 1) FD와 FDH 식이군은 경미한 호모시스테인혈증을 (17.41 ${\pm}$ 1.94 nmol/mL) 나타냈으며, FDHCD 식이군은 중위의 호모시스테인혈증을 (44.13 ${\pm}$ 2.65 nmol/mL) 나타내어 엽산과 비타민 $B_{12}$결핍에 의한 영양성 호모시스테인혈증의 모델로 이용할 수 있었다. 2) FD, FDH, FDHCD 식이군의 간 (p < 0.001)과 뇌조직 (p < 0.01) 내 엽산 농도는 FS, FSH군 보다 유의적으로 낮았으나, FD, FDH, FDHCD 식이군의 간 및 뇌조직의 엽산농도 사이에는 유의적인 차이가 없었다. 이와 대조적으로 혈장 엽산 농도는 FDHCD 식이군 (126.5 ${\pm}$ 9.6 nmol/L)이 FD, FDH 식이군 (21.1 ${\pm}$ 1.4 nmol/L, 22.0 ${\pm}$ 2.2 nmol/L)(p < 0.001) 보다 약 6배 높았으며, 이는 비타민 $B_{12}$ 결핍에 의한"methyl-folate trap"으로 인해 엽산이 효율적으로 조직내 보유되지 못하고 혈류로 나와 소변을 통해 배설되기 때문인 것으로 보인다. 3) FD와 FDH 식이군의 간조직의 SAH 농도는 각각 대조군 보다 44% 및 50%씩 증가되었고 (p < 0.001), 간 SAM 농도는 각각 대조군 보다 72%, 71% 저하되었으며 (p < 0.001), 그 결과 두 군 모두 SAM/SAH 비율이 대조군 보다 약 80% 저하되었다 (p < 0.001). 한편 FDHCD 식 이군의 간 SAH 농도를 대조군과 비교할 때 대조군 보다 107% 증가되었고 (p < 0.001), SAM 농도는 대조군 보다 81% 저하되었으며 (p < 0.001), 그 결과 SAM/SAH 비율이 대조군 보다 약 90% 저하되어 매우 낮은 SAM/SAH 비율을 나타냈다 (p < 0.001). 뇌조직 SAM 농도는 엽산결핍, 비타민 $B_{12}$결핍 및 호모시스틴 급여에 의해 영향을 받지 않고 대조군과 유사한 수준을 보여 뇌조직내 SAM의 항상성을 나타냈으나, FDHCD 식이군의 뇌조직 SAH 농도는 대조군 보다 60% 증가되었으며 (p < 0.05), 그 결과 SAM/SAH 비율은 대조군 보다 약 28% 저하되었다 (p < 0.05). 따라서 중위의 호모시스테인혈증을 나타낸 실험군에서만 뇌조직의 SAH 농도가 증가되었다. 4) 영양결핍 (엽산 또는 비타민 $B_{12}$)에 의한 호모시스테인혈증의 특성을 조사할 목적으로 혈장, 간 및 뇌 조직내 메티오닌 대사회로 biomarker와 엽산 농도 사이의 상관관계를 조사하였다. 혈장 호모시스테인은 간 엽산과 음의 상관관계 (r = -0.641, p < 0.01)을 보였으나, 뇌 엽산 또는 혈장 엽산과는 유의적인 상관관계를 보이지 않았다. 그러나 이와 대조적으로 FDHCD 식이군을 제외시킨 나머지 네개의 실험군 자료만으로 상관관계를 분석하였을 때 혈장 호모시스테인과 뇌 엽산 (r = -0.321, p < 0.05), 혈장 엽산 (r = -0.581, p < 0.01), 간 엽산 (r = -0.684, p < 0.01) 사이에 모두 유의적인 상관관계를 나타냈다. 혈장 호모시스테인과 간조직의 SAH 및 SAM 농도 사이의 상관관계는 FDHCD군을 제외시킨 나머지 네개의 실험군 자료만으로 상관관계를 분석하였을 때 뇌조직 SAH 농도들 제외한 모든 상관계수가 전체실험군 자료로 분석한 경우보다 높았다. 따라서 엽산결핍/비타민 $B_{12}$결핍으로 인한 호모시스테인혈증 (FDHCD)에서는 혈장 엽산이 엽산결핍군 (FD, FDH)보다 높으면서 동시에 혈장 호모시스테인 농도도 높은 특성을 보였다. 결론적으로, 식이 중 엽산만 결핍된 경우와 엽산결핍과 비타민 $B_{12}$ 결핍을 동반할 경우"methyl-folate trap"으로인해 혈장 엽산과 호모시스테인 농도 패턴에 차이가 있었으며, 메티오닌 대사회로의 biomarker 사이의 상관관계와 혈장 엽산, 뇌 엽산 및 뇌 SAH와 호모시스테인 농도 사이의 상관관계가 차이가 있었다. 또한 엽산 결핍과 비타민 $B_{12}$ 결핍으로 인해 나타나는 뇌 SAH 농도의 증가는 메틸화를 저해시킴으로써 인지능력에 영향을 줄 수 있을 것으로 사료된다.