Induction of Thioredoxin by Oxidative Stress and Overexpression of Thioredoxin in Lung Cancer Tissue

산화 스트레스에 의한 Thioredoxin의 발현과 폐암조직에서의 발현

Background: Reactive oxygen species are involved in multi-stage process of carcinogenesis. The moot of cancer cell lines and cancer cells in tumor tissue produce reactive oxygen species and on the other hand, the activities of catalase, Mn- and CuZn-superoxide dismutase in tumor cells are usually low. These persistent oxidative stress in tumor tissue facilitates tumor invasion and metastasis. 12-kDa thioredoxin, which regulates the intracellular redox potential with glutathione and glutaredoxin is involved in cell activation, proliferation, differentiation and redox-mediated apoptosis. It is also purified as 14-kDa and 10-kDa eooinophilic cytotoxic enhancing factor(ECEF) from human histiocytic cell(U937) and 10-kDa ECEF has more than 20 times eosinophilic stimulation activity than 14-kDa ECEF. It has been reported that adult T-cell leukemia, squamous cell carcinoma of uterine cervix, and hepatocellular carcinoma show increased amounts of human thioredoxin and thioredoxin mRNA is increased in lung cancer. In this study, we investigated the expression of conventional antioxidant enzymes such as catalase, CuZn-SOD, and glutathione peroxidase and thioredoxin in lung cancer tissue compared to adjacent normal lung tissue and the induction of thioredoxin in macrophage cells after treatment of oxidative stress and endotoxin Methods: We measured the amount of conventional antioxidant enzymes such as catalase, CuZn-SOD, and glutathione peroxidase and thioredoxin in lung cancer tissue compared to adjacent normal lung tissue by immunoblot analysis and the induction of thioredoxin in mouse monocyte-macrophage cells(RAW 264.7) by treatment of 5 ${\mu}M$ menadione and 1 ${\mu}g/ml$ endotoxin Results: On immunoblot analysis, the expression of 12-kDa thioredoxin was increased in lung cancer tissue compared to paired normal lung tissue. but the expression of catalase and CuZn-SOD were decreased in lung cancer tissue compared to paired normal tissue and the expression of glutathione peroxidase in lung cancer was variable. The expression of truncated thioredoxin was also increased in lung cancer. When mouse monocyte-macrophage cells were treated with 5 ${\mu}M$ menadione and 1 ${\mu}g/ml$ endotoxin, the expression of thioredoxin was peaked at 12 hrs and sustained to 48 hrs. Conclusion: In contrast with other conventional antioxidants, the expression of 12-kDa and truncated thioredoxin in lung cancer were increased and it is closely associated with persistent oxidative stress in tumor microenvironment. Considering especially the biological functions of truncated thioredoxin, the increased amount of truncated thioredoxin has significant role in tumor growth through cell proliferation.

연구배경: 활성산소종(reactive oxygen species)은 발암 기전의 여러 단계 과정에 관여한다. 대부분의 종양 세포주 및 종양 조직내의 종양 세포는 활성산소종을 생성하는 반면 종양 세포의 catalase, Mn- 및 CuZn-SOD등 기존 항산화 단백의 활성도는 대부분 저하되어 있다. 이로 인한 종양 조직내의 지속적인 산화 스트레스는 종양의 국소 침습 및 전이를 촉진한다. 12-kDa thioredoxin은 glutathione 및 glutaredoxin과 함께 세포내 산화-환원 전위를 조절하여 세포 활성, 증식, 분화 및 산화-환원에 의한 아포토시스 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다. 한편 histiocytic lymphoma 세포 (U937, human)에서 14-kDa 및 10-kDa의 eosinophilic cytotoxic enhancing factor(ECEF)로 정제되었으며 호산구 자극의 생물학적 기능은 10-kDa에서 20배 이상 높은 것으로 알려져 있다. 성인 T-세포백혈병, 자궁경부상피세포암 및 간세포암에서 thioredoxin 양이 증가 되어 있고 폐암에서는 thioredoxin mRNA가 증가되어 있는 것으로 알려져 있다. 이에 폐암 조직과 주위 정상 조직을 비교하여 catalase, CuZn-SOD 및 glutathione peroxidase 등 기존 항산화 단백과 thioredoxin 발현 변화를 비교 관찰하고 대식세포에서 산화 스트레스 및 내독소에 의한 thioredoxin 발현 변화를 관찰하고자 하였다. 방 법: 동일한 환자의 폐암 조직과 주변의 정상 폐 조직을 immunoblot 분석으로 catalase, CuZn-SOD, glutathione peroxidase 및 thioredoxin 발현을 비교 관찰하였으며 대식세포인 mouse monocyte-macrophage 세포 (RAW 264.7)에 5 ${\mu}M$ menadione 및 1 ${\mu}g/ml$ endotoxin을 처치하여 thioredoxin 발현을 관찰하였다. 결 과: Immunoblot 분석상 12-kDa의 thioredoxin 발현은 폐암 조직에서 정상 폐조직과 비교하여 의미있는 증가를 보였으나 catalase 및 CuZn-SOD의 발현은 폐암 조직에서 정상 폐조직과 비교하여 감소하였고 glutathione peroxidase의 발현은 일정 하지 않은 변화를 보였다. 절단형(truncated) thioredoxin 역시 폐암에서 증가하였다. Mouse monocyte-macrophage cells에 5 ${\mu}M$ menadione 및 1 ${\mu}g/ml$ endotoxin을 처치하였을때 thioredoxin 발현은 12시간에 최고로 증가하여 48 시간까지 지속되었다. 결 론: 폐암에서 기존의 항산화 단백과는 달리 12-kDa 및 절단형 thioredoxin 발현이 증가하며 이는 종양 조직내의 지속적인 산화 스트레스와 밀접한 연관이 있다. 특히 절단형 thioredoxin의 생물학적 기능을 고려할 때 절단형 thioredoxin 발현 증가는 종양 세포 증식을 통한 종양 성장에 더욱 의미있는 역할하리라고 생각된다.