Selenoproteins as predictors of prognosis after breast cancer diagnosis

Abstract

Selenium (Se) is an essential micronutrient incorporated into selenoproteins involved in e.g., antioxidative defence, cellular redox regulation, and thyroid hormone metabolism. Se is implicated to affect cancer progression, however its association with cancer survival and related mechanisms are inconclusive. This thesis describes a collaboration with the multicenter Sweden Cancerome Analysis Network - Breast Initiative (SCAN-B) which recruits breast cancer patients. After diagnosis, baseline serum, tumor tissue, clinical data and follow-up with death and recurrence were collected. RNA-sequencing for tumor tissues were conducted. 1996 eligible patients with a follow-up of up to ~ 9 years (310 deaths, 167 recurrences) were included and RNA-seq was available for 1453. Four serum Se biomarkers, i.e., total Se (Total reflection X-ray fluorescence), selenoprotein P (SELENOP) (Sandwich ELISA), activity of glutathione peroxidase 3 (GPx3) (NADPH coupled enzyme reaction) and autoantibodies to SELENOP (SELENOP-aAb) (immunoprecipitation assay) were quantified. Multivariable Cox regression models adjusted for potential confounders estimated the association of Se parameters with prognosis. Timepoint-specific receiver operating characteristic analyses (ROCt) determined the prognostic value. Interaction between circulating Se and tumor selenotranscriptome was tested. In adjusted models, low Se, SELENOP or GPx3 at diagnosis were dose-dependently associated with higher mortality; hazard ratio (HR), 95% confidence interval (CI) for quintile 5 vs. quintile 1 was 0.42(0.28–0.63) for Se, 0.51(0.36–0.73) for SELENOP and 0.52(0.36–0.75) for GPx3. Participants in the lowest quintile of all biomarkers had a distinctly low survival of ~50%. Se biomarkers increased the prognostic value of a model containing clinically established prognostic markers (integrated area under the curve 0.754 to 0.780). SELENOP-aAb were present in serum samples of 7.65% of all patients and dose-dependently associated with prognosis, HR (95%CI) for mortality per log-increment of autoantibody titers was 1.31(1.13-1.51). This association was pronounced in Se deficiency. The association of tumor DIO1, DIO3 and SELENOM mRNAs with mortality was dependent on circulating Se. Particularly, DIO1 associated with a favourable outcome, while DIO3 associated with a poor outcome, both only with high Se levels (p-interaction <0.001 and 0.020). The three studies establish low Se status as an independent determinant for a poor prognosis with breast cancer. Quantifying Se, SELENOP, GPx3 or SELENOP-aAb in serum at time of diagnosis identifies patients with poor prognosis. The observed consistent dose-dependent findings indicate that Se-deficient patients may benefit from intensified therapy and from a personalized substitution to correct their deficits, which merits testing in clinical intervention trials.

Selen (Se) ist ein essentielles Spurenelement, das in Selenoproteine eingebaut wird, welche in antioxidativer Abwehr, zellulärer Redoxregulation und dem Schilddrüsenhormonstoffwechsel involviert sind. Se wird mit Brustkrebsprogression in Verbindung gebracht, jedoch ist der Zusammenhang zwischen dem Se-Status und Prognose nach Krebsdiagnose unklar. Diese Arbeit beschreibt eine Kooperation mit der multizentrischen Sweden Cancerome Analysis Network - Breast Initiative (SCAN-B), die Patient*Innen mit neuem primär invasivem Brustkrebs prospektiv einschließt und Serumproben, Tumorgewebe mit anschließender RNA-Sequenzierung, klinische Daten sowie Information zur Sterblichkeit und zum Brustkrebsrezidiv sammelt. Für die Analysen konnten 1996 Patient*Innen mit einer Nachbeobachtungszeit von etwa 9 Jahren (310 Todesfälle, 167 Rezidive) eingeschlossen werden. RNA-Seq-Daten lagen für 1453 Proben vor. Es wurden drei Se Biomarker aus Serum quantifiziert: Gesamt-Se (Total-reflexions-Röntgenfluoreszenz), der Se-Transporter Selenoprotein P (SELENOP) (Sandwich-ELISA), Aktivität von Glutathionperoxidase 3 (GPx3) (NADPH-gekoppelte Enzymreaktion), sowie neuartige Autoantikörper gegen SELENOP (SELENOP-aAb) (Immunopräzipitations-Assay). Multivariate Cox-Regressionsmodelle mit Adjustierung für Störfaktoren, sowie Receiver-Operating-Characteristic-Analysen (ROCt) wurden durchgeführt. Die Interaktion von Gesamt-Se mit dem Tumorselenotranskriptom wurde untersucht. In adjustierten Modellen waren ein niedriges Se, SELENOP oder GPx3 beim Diagnosezeitpunkt jeweils dosisabhängig mit einer höheren Sterblichkeit assoziiert; das Hazard Ratio (HR) mit 95% Konfidenzintervall (KI) für das höchste Quintil im Vergleich zum niedrigsten betrug 0,42(0,28–0,63) für Se, 0,51(0,36–0,73) für SELENOP und 0,52(0,36–0,75) für GPx3. Teilnehmende im niedrigsten Quintil aller drei Biomarker wiesen eine deutlich geringe Überlebensrate von nur etwa 50% auf. Die Se-Biomarker erhöhten den prognostischen Wert eines Modells, das klinisch etablierte prognostische Marker enthielt (integrated area under the curve von 0,754 auf 0,780). SELENOP-aAb waren in Serumproben von 7,65 % aller Patient*Innen nachzuweisen und assoziierten dosisabhängig mit der Prognose; das Hazard Ratio (HR) (95%KI) für die Sterblichkeit pro Log-Anstieg betrug 1,31(1,13–1,51). Diese Assoziation war bei Patient*Innen mit bereits niedrigem Serum-Se oder SELENOP-Spiegeln ausgeprägt. Serum-Se interagierte dosisabhängig mit der Assoziation zwischen Tumorexpressionen von DIO1, DIO3 und SELENOM und der Sterblichkeit. Mit steigender Serum Se Konzentration assoziierte DIO1 mit einer guten Prognose, während DIO3 mit einem ungünstigen Verlauf assoziierte (p-Interaktion <0,001 und 0,020). Die drei Studien etablieren den Se-Status als unabhängigen prognostischen Faktor bei Brustkrebs. Patient*Innen mit niedrigem Se-Status könnten von einer Korrektur des Se-Defizits profitieren, was in einer randomisiert kontrollierten Studie getestet werden sollte.