Summary

 Controversy over the role of antioxidants in cancer has persisted for decades. Here, we demonstrate that synthesis of the antioxidant glutathione (GSH), driven by GCLM, is required for cancer initiation. Genetic loss of Gclm prevents a tumor's ability to drive malignant transformation. Intriguingly, these findings can be replicated using an inhibitor of GSH synthesis, but only if delivered prior to cancer onset, suggesting that at later stages of tumor progression GSH becomes dispensable potentially due to compensation from alternative antioxidant pathways. Remarkably, combined inhibition of GSH and thioredoxin antioxidant pathways leads to a synergistic cancer cell death in vitro and in vivo, demonstrating the importance of these two antioxidants to tumor progression and as potential targets for therapeutic intervention.

Cancer cells that express the receptor protein RANK migrate to bone tissue where the RANK ligand, RANKL, is found. This contributes to bone metastases and offers a potential therapeutic approach to prevent cancer metastases. Bone metastases are a frequent complication of many cancers that result in severe disease burden and pain1,2,3. Since the late nineteenth century, it has been thought that the microenvironment of the local host tissue actively participates in the propensity of certain cancers to metastasize to specific organs, and that bone provides an especially fertile ‘soil’4. In the case of breast cancers, the local chemokine milieu is now emerging as an explanation for why these tumours preferentially metastasize to certain organs5. However, as the inhibition of chemokine receptors in vivo only partially blocks metastatic behaviour6, other factors must exist that regulate the preferential metastasis of breast cancer cells. Here we show that the cytokine RANKL (receptor activator of NF-κB ligand)7,8 triggers migration of human epithelial cancer cells and melanoma cells that express the receptor RANK. RANK is expressed on cancer cell lines and breast cancer cells in patients. In a mouse model of melanoma metastasis9, in vivo neutralization of RANKL by osteoprotegerin results in complete protection from paralysis and a marked reduction in tumour burden in bones but not in other organs. Our data show that local differentiation factors such as RANKL have an important role in cell migration and the tissue-specific metastatic behaviour of cancer cells.

Osteoprotegerin-ligand (OPGL) is a key osteoclast differentiation/activation factor essential for bone remodeling. We report that mice lacking OPGL or its receptor RANK fail to form lobulo-alveolar mammary structures during pregnancy, resulting in death of newborns. Transplantation and OPGL-rescue experiments in opgl−/− and rank−/− pregnant females showed that OPGL acts directly on RANK-expressing mammary epithelial cells. The effects of OPGL are autonomous to epithelial cells. The mammary gland defect in female opgl−/− mice is characterized by enhanced apoptosis and failures in proliferation and PKB activation in lobulo-alveolar buds that can be reversed by recombinant OPGL treatment. These data provide a novel paradigm in mammary gland development and an evolutionary rationale for hormonal regulation and gender bias of osteoporosis in females.

Breast cancer is one of the most common cancers in humans and will on average affect up to one in eight women in their lifetime in the United States and Europe. The Women's Health Initiative and the Million Women Study have shown that hormone replacement therapy is associated with an increased risk of incident and fatal breast cancer. In particular, synthetic progesterone derivatives (progestins) such as medroxyprogesterone acetate (MPA), used in millions of women for hormone replacement therapy and contraceptives, markedly increase the risk of developing breast cancer. Here we show that the in vivo administration of MPA triggers massive induction of the key osteoclast differentiation factor RANKL (receptor activator of NF-κB ligand) in mammary-gland epithelial cells. Genetic inactivation of the RANKL receptor RANK in mammary-gland epithelial cells prevents MPA-induced epithelial proliferation, impairs expansion of the CD49f(hi) stem-cell-enriched population, and sensitizes these cells to DNA-damage-induced cell death. Deletion of RANK from the mammary epithelium results in a markedly decreased incidence and delayed onset of MPA-driven mammary cancer. These data show that the RANKL/RANK system controls the incidence and onset of progestin-driven breast cancer.

We have isolated cDNA clones corresponding to a novel mouse metalloproteinase inhibitor. Five overlapping cDNA clones contain most of the information for a prominent 4.5-kilobase transcript that was detected in RNA from mouse fibroblasts and adult tissues. Sequence analysis revealed an open reading frame (ORF) for a protein of 212 amino acids that is 80% identical to chicken inhibitor of metalloproteinases-3 (ChIMP-3). The 3'-untranslated sequence also showed remarkable conservation with the chicken gene. The ORF directed the expression of a 24-kDa protein in COS-1 cells that localized to the extracellular matrix (ECM). On the basis of these similarities we propose to identify the new gene as murine tissue inhibitor of metalloproteinases-3 (TIMP-3). Mouse C3H 10T1/2 fibroblasts produced a 24-kDa metalloproteinase inhibitor that also localized to the ECM and was recognized by a polyclonal antibody to ChIMP-3. Like TIMP-1, TIMP-3 was highly inducible in mouse C3H 10T1/2 fibroblasts by phorbol ester (PMA), epidermal growth factor (EGF), and transforming growth factor-beta 1, but nuclear run-on assays showed that the on/off transcription kinetics were faster for TIMP-3 than TIMP-1. A major difference in vitro was the stimulation of expression of TIMP-3 by dexamethasone which inhibits EGF- and PMA-induced TIMP-1 transcription. Also, TIMP-3 showed a distinctive pattern of expression in adult tissues with abundant transcripts detected in kidney, lung, and brain but only low levels detected in bone, a prominent location of TIMP-1 transcripts. We propose that TIMP-3 functions in a tissue-specific fashion as part of an acute response to remodeling stimuli.

Mouse 3T3 cell lines capable of constitutively synthesizing an RNA complementary to the messenger RNA encoding TIMP, tissue inhibitor of metalloproteinases, were constructed by transfection with appropriate plasmid constructs. Many of the lines were down-modulated for TIMP messenger RNA levels and secreted less TIMP into the culture medium. In comparison to noninvasive, nontumorigenic controls, these cells not only were invasive in a human amnion invasion assay, but also were tumorigenic and metastatic in athymic mice. These results indicate that TIMP suppresses oncogenicity, at least in immortal murine 3T3 cells.

Background— Pressure overload is accompanied by cardiac myocyte apoptosis, hypertrophy, and inflammatory/fibrogenic responses that lead to ventricular remodeling and heart failure. Despite incomplete understanding of how this process is regulated, the upregulation of tumor necrosis factor (TNF)-α after aortic banding in the myocardium is known. In the present study, we tested our hypothesis that TNF-α regulates the cardiac inflammatory response, extracellular matrix homeostasis, and ventricular hypertrophy in response to mechanical overload and contributes to ventricular dysfunction. Methods and Results— C57/BL wild-type mice and TNF-knockout (TNF −/− ) mice underwent descending aortic banding or sham operation. Compared with sham-operated mice, wild-type mice with aortic banding showed a significant increase in cardiac TNF-α levels, which coincided with myocyte apoptosis, inflammatory response, and cardiac hypertrophy in week 2 and a significant elevation in matrix metalloproteinase-9 activity and impaired cardiac function in weeks 2 and 6. Compared with wild-type mice with aortic banding, TNF −/− mice with aortic banding showed attenuated cardiac apoptosis, hypertrophy, inflammatory response, and reparative fibrosis. These mice also showed reduced cardiac matrix metalloproteinase-9 activity and improved cardiac function. Conclusions— Findings from the present study have suggested that TNF-α contributes to adverse left ventricular remodeling during pressure overload through regulation of cardiac repair and remodeling, leading to ventricular dysfunction.

TACE Trafficking The cytokine tumor necrosis factor (TNF) is a major driver of inflammation and contributes to the immune pathology seen in a variety of diseases, including inflammatory bowel disease, rheumatoid arthritis, and sepsis. Soluble TNF is produced by cleavage of its ectodomain by the ADAM family metalloprotease, TNFα-converting enzyme (TACE). However, the molecular regulation of TACE is not understood (see the Perspective by Lichtenthaler ). Adrain et al. (p. 225 ) and McIlwain et al. (p. 229 ) now show that the rhomboid family member iRhom2 interacts with TACE in macrophages and is required for its proper intracellular trafficking and activation. In the absence of iRhom2, TACE was not released from the endoplasmic reticulum, and active protease did not reach the cell surface. Because of an inability to produce TNF, iRhom2-deficient mice were more resistant to lipopolysaccharide-induced septic shock but could not adequately control a Listeria monocytogenes infection.