Thioredoxin Interacting protein (TXNIP) Is Differentially expressed in Human Tumor samples but Is Absent in Human Tumor Cell Line Xenografts: Implications for Its Use as an Immunosurveillance Marker

Abstract

Thioredoxin interacting protein (TXNIP) is a metabolic protein which plays a crucial role in various cellular processes such as redox homeostasis, glucose uptake, lipid metabolism and the immune system. Abnormal TXNIP levels are notable e.g., in type II diabetes, cardiovascular diseases, and tumors. One essential factor in tumourigenesis is oxidative stress which is caused by the excessive accumulation of reactive oxygen species (ROS). To prevent harm from ROS, cells provide specific antioxidant defence systems, such as the thioredoxin system. It includes thioredoxin (TRX), thioredoxin reductase (TrxR), α-nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), and thioredoxin interacting protein (TXNIP). If such system is disturbed it interferes with a cell’s ability to protect against tumourigenic processes. TRX and TXNIP exhibit reciprocal expression patterns, meaning that TXNIP, in contrast to TRX, is downregulated in various cancers. Hence, TXNIP has been proposed as a tumor suppressor gene in a variety of malignancies. So far, almost all the investigations on the role of TXNIP in cancer were focused on quantification of mRNA and not on TXNIP protein expression. Therefore, we employed immunohistochemical detection of TXNIP protein in a large multi-tumor tissue microarray consisting of 2,824 samples from 94 different tumor entities. In our study, TXNIP was downregulated or lost in a high proportion of tumours across all entities and subtypes and in these cases was differently expressed depending on tumor stage and subtype. This supports the approach of former studies, that TXNIP might be useful as a prognostic marker in malignancies, since in most tumours, a high TXNIP expression relates to an overall better prognosis. In this study, we further analysed TXNIP expression in primary mouse xenograft tumors derived from human cancer cell lines and found it was immunohistochemically absent in all xenograft tumors investigated. Hence, loss of TXNIP suggests a critical role for the development of tumors in xenografts. We also detected leucocytes by staining our xenograft samples with a CD45+ antibody, which delineated the leucocytes densely packed in direct proximity to the tumour and within the tumour itself. Intriguingly, we detected that TXNIP expression in leucocytes in the xenograft tumors samples became gradually lower in the proximity of the primary tumor tissue and was absent in leukocytes directly adjacent to tumor tissue. Thus, immune-modulatory functions of TXNIP might control immune recognition and, elimination of tumour cells might be distinct in different tumour entities. Hence TXNIP expression might be used to monitor the functional state of tumor-infiltrating leukocytes in tissue sections and may help to predict response to modern immune therapy.

Thioredoxin Interacting Protein (TXNIP) ist ein metabolisches Protein, welches eine wichtige Rolle in verschiedenen zellulären Prozessen wie der Redox-Regulation Glukoseaufnahme, dem Lipidstoffwechsel und Immunsystem spielt. Veränderungen im TXNIP-Spiegel sind z.B. bei Erkrankungen wie Typ-II-Diabetes, Herz-Kreislauf- Erkrankungen und Tumoren bekannt. Eine maßgebliche Ursache, die zur Tumorentstehung beiträgt ist oxidativer Stress, welcher durch eine übermäßige Anreicherung reaktiver Sauerstoffspezies (engl. Reactive Oxygen Species, ROS) verursacht wird. Um Schäden durch ROS zu verhindern, verfügen Zellen über spezifische antioxidative Abwehrsysteme, wie das Thioredoxin-System. Dieses umfasst Thioredoxin (TRX), Thioredoxin-Reduktase (TrxR), α-Nicotinamid-Adenin- Dinucleotid-Phosphat (NADPH) und Thioredoxin Interacting Protein (TXNIP). Zellen schützen sich unter anderem durch dieses System gegen eine maligne Entartung. Folglich kann es bei einer Störung des TRX-Systems zur Krebsentstehung kommen. TRX und TXNIP zeigen wechselseitige Expressionsmuster, d.h. TXNIP ist im Gegensatz zu TRX in verschiedenen Tumorentitäten herunterreguliert. Aus diesem Grund wurde TXNIP bereits in verschiedenen Malignitäten als Tumorsuppressor beschrieben. Die meisten Studien über TXNIP konzentrierten sich bislang auf die Quantifizierung von mRNA und nicht auf die Expression des TXNIP-Proteins. Daher haben wir in dieser Arbeit das TXNIP Protein immunhistochemisch in einem großen Gewebe-Mikroarray mit 2.824 Proben aus 94 verschiedenen Tumorentitäten untersucht. Insgesamt war das TXNIP-Protein in Tumoren aller Entitäten und Subtypen zum Großteil herunterreguliert oder fehlend. Die Intensität der Färbung korrelierte in einigen Tumorentitäten mit dem Tumorstadium oder der Aggressivität des Tumors. Diese Ergebnisse unterstützen die Ansicht früherer Studien, dass TXNIP als prognostischer Marker bei Krebserkrankungen nützlich sein könnte, denn in den meisten Tumoren ist eine hohe TXNIP-Expression mit einer insgesamt besseren Prognose verbunden. Des Weiteren wurde in dieser Studie die Expression von TXNIP in primären Maus- Xenograft-Tumoren untersucht, welche in allen Proben negativ war. Somit scheint die Runterregulierung von TXNIP eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Tumoren in Xenografts zu spielen. Außerdem untersuchten wir in unseren Xenograft-Proben die an den Tumor angrenzenden Leukozyten immunhistochemisch mit einem CD45+- und TXNIP-Antikörper. Die Leukozyten stellten sich dicht besiedelt um den Tumor herum und im Tumor selbst dar. Die TXNIP-Expression hingegen, nahm in diesen Leukozyten graduell ab, je näher sie sich am Tumor befanden und waren direkt entlang des Tumorgewebes gänzlich negativ. Folglich kommt TXNIP eine immunmodulatorische Funktion zu und ist möglicherweise an der Aktivierung des Immunsystems gegen den Tumor beteiligt. Aus diesem Grund könnte die TXNIP-Expression von Leukozyten in Gewebeproben wertvolle prognostische Informationen über die Wirkung hinsichtlich neuer moderner Immuntherapien liefern.