Abstract Mutations in the promoter of the telomerase reverse transcriptase (TERT) gene are the paradigm of a cross-cancer alteration in a noncoding region. TERT promoter mutations (TPM) are biomarkers of poor prognosis in cancer, including thyroid tumors. TPMs enhance TERT transcription, which is otherwise silenced in adult tissues, thus reactivating a bona fide oncoprotein. To study TERT deregulation and its downstream consequences, we generated a Tert mutant promoter mouse model via CRISPR/Cas9 engineering of the murine equivalent locus (Tert−123C>T) and crossed it with thyroid-specific BrafV600E-mutant mice. We also employed an alternative model of Tert overexpression (K5-Tert). Whereas all BrafV600E animals developed well-differentiated papillary thyroid tumors, 29% and 36% of BrafV600E+Tert−123C>T and BrafV600E+K5-Tert mice progressed to poorly differentiated cancers at week 20, respectively. Tert-upregulated tumors showed increased mitosis and necrosis in areas of solid growth, and older animals displayed anaplastic-like features, that is, spindle cells and macrophage infiltration. Murine TPM increased Tert transcription in vitro and in vivo, but temporal and intratumoral heterogeneity was observed. RNA-sequencing of thyroid tumor cells showed that processes other than the canonical Tert-mediated telomere maintenance role operate in these specimens. Pathway analysis showed that MAPK and PI3K/AKT signaling, as well as processes not previously associated with this tumor etiology, involving cytokine, and chemokine signaling, were overactivated. These models constitute useful preclinical tools to understand the cell-autonomous and microenvironment-related consequences of Tert-mediated progression in advanced thyroid cancers and other aggressive tumors carrying TPMs. Implications: Telomerase-driven cancer progression activates pathways that can be dissected and perhaps therapeutically exploited.

ABSTRACT Mutations in the promoter of the telomerase reverse transcriptase ( TERT ) gene are the paradigm of a cross-cancer alteration in a non-coding region. TERT promoter mutations (TPMs) are biomarkers of poor prognosis in several tumors, including thyroid cancers. TPMs enhance TERT transcription, which is otherwise silenced in adult tissues, thus reactivating a bona fide oncoprotein. To study TERT deregulation and its downstream consequences, we generated a Tert mutant promoter mouse model via CRISPR/Cas9 engineering of the murine equivalent locus (Tert -123C>T ) and crossed it with thyroid-specific Braf V600E -mutant mice. We also employed an alternative model of Tert overexpression (K5-Tert). Whereas all Braf V600E animals developed well-differentiated papillary thyroid tumors, 29% and 36% of Braf V600E +Tert -123C>T and Braf V600E +K5-Tert mice progressed to poorly differentiated thyroid cancers at week 20, respectively. Braf+Tert tumors showed increased mitosis and necrosis in areas of solid growth, and older animals from these cohorts displayed anaplastic-like features, i.e., spindle cells and macrophage infiltration. Murine Tert promoter mutation increased Tert transcription in vitro and in vivo , but temporal and intra-tumoral heterogeneity was observed. RNA-sequencing of thyroid tumor cells showed that processes other than the canonical Tert-mediated telomere maintenance role operate in these specimens. Pathway analysis showed that MAPK and PI3K/AKT signaling, as well as processes not previously associated with this tumor etiology, involving cytokine and chemokine signaling, were overactivated. Braf+Tert animals remained responsive to MAPK pathway inhibitors. These models constitute useful pre-clinical tools to understand the cell-autonomous and microenvironment-related consequences of Tert-mediated progression in advanced thyroid cancers and other aggressive tumors carrying TPMs.

ABSTRACT New combinatorial drug strategies are urgently needed to improve radioiodide (RAI) uptake and efficiently ablate thyroid cancer cells, thereby addressing recurrent and metastatic disease. Cellular iodide uptake is accomplished solely by the sodium iodide symporter (NIS), but the complexity of NIS functional regulation and a lack of amenable high-throughput screening assays has impeded progress. We utilised mutated yellow fluorescent protein (YFP) as a surrogate biosensor of intracellular iodide for ∼1200 FDA-approved drugs, allowing us to appraise the impact of 73 leading compounds at 10 doses on 125 I uptake in thyroid cancer cell lines. Subsequent mechanistic analysis suggests three predominant modes of drug action: Firstly, a number of drugs inhibited specific regulation of NIS function by the protein VCP. Secondly, some drugs enhanced transcriptional or post-transcriptional regulation of NIS expression. Thirdly, several drugs strongly implicated proteasomal degradation and the unfolded protein response in the cellular processing of NIS. Exploiting these mechanistic insights, multiple compounds gave striking increases in radioiodide uptake when combined with the drug SAHA. Importantly, our new drug combination strategies were also effective in human primary thyrocytes, suggesting they target endogenous NIS physiology. In patients with papillary thyroid cancer, genes involved in proteostasis were remarkably altered and predicted significantly worse outcome, but only in those patients who received RAI therapy. Collectively, we therefore propose a new model of intracellular NIS processing, and identify key nodes which may now be druggable in patients with aggressive thyroid cancer. SUMMARY Our data identify FDA-approved drugs that enhance radioiodide uptake outside of the canonical pathways of NIS processing, leading to a new mechanistic understanding of endogenous NIS function which is subverted in cancer.

Radioiodine treatment fails ≥25% of patients with thyroid cancer and has been proposed as a potential treatment for breast cancer. Cellular iodide uptake is governed by the sodium iodide symporter (NIS), which is frequently mislocalized in thyroid and breast tumours. However, the trafficking of NIS to the plasma membrane (PM) is ill-defined. Through mass spectrometry, co-immunoprecipitation, cell surface biotinylation and proximity ligation assays we identify two proteins which control NIS subcellular trafficking: ADP-ribosylation factor 4 (ARF4) and valosin-containing protein (VCP). HiLo microscopy revealed ARF4 enhanced NIS trafficking in co-incident PM vesicles, governed by a C-terminal VXPX motif, whilst papillary thyroid cancers (PTC) demonstrate repressed ARF4 expression. In contrast, VCP, the central protein in ER-associated degradation, specifically bound NIS and decreased its PM localization. Five chemically distinct allosteric VCP inhibitors all overcame VCP-mediated repression of NIS function. In mice, two re-purposed FDA-approved VCP inhibitors significantly enhanced radioiodine uptake into thyrocytes, whilst human primary thyrocytes showed similar increases. Critically, PTC patients with high tumoural VCP expression who received radioiodine had strikingly worse disease-free survival. These studies now delineate the mechanisms of NIS trafficking, and for the first time open the therapeutic possibility of systemically enhancing radioiodine uptake in patients via FDA-approved drugs.

Abstract New approaches are urgently needed to enhance the radioiodide (RAI) ablation of aggressive and metastatic thyroid cancer. We recently discovered that valosin-containing protein inhibitors (VCPi) such as clotrimazole and disulfiram transiently block sodium iodide symporter (NIS) proteasomal degradation, hence promoting RAI uptake. However, poor bioavailability diminishes their potential impact in vivo . Following 3D modelling and iterative drug design we appraised 26 novel analogues of clotrimazole, as well as albumin nano-encapsulated copper-diethyldithiocarbamate [Cu(DDC) 2 -alb] – a stabilised reformulation of a disulfiram metabolite. While several clotrimazole analogues specifically increased RAI uptake, the greatest impact was observed with Cu(DDC) 2 -alb in thyroid cancer cells as well as human primary thyrocytes from patients with thyroid hyperplasia. NanoBRET assays revealed that Cu(DDC) 2 enhanced the plasma membrane accumulation of NIS in living cells. In BALB/c mice, both intraperitoneal and intravenous administration of Cu(DDC) 2 -alb significantly enhanced thyroidal 99m Tc-uptake. RNA-Seq revealed the surprising observation that Cu(DDC) 2 -alb induced key thyroid transcription factors. Accordingly, expression of PAX8 and NKX2.1 was upregulated in thyroid glands from drug treated mice, with NIS levels correlating closely to 99m Tc-uptake. As Cu(DDC) 2 inhibits the VCP cofactor NPL4, with VCP being critical to the proteostatic processing of NIS protein, we identify a new dual agonist of RAI uptake in vivo , with the potential to directly impact RAI therapy for patients with aggressive thyroid cancer.

Abstract Hotspot mutations in the TERT (telomerase reverse transcriptase) gene are key determinants of thyroid cancer progression. TERT promoter mutations (TPM) create de novo consensus binding sites for the ETS (“E26 transforming sequence”) family of transcription factors. In this study, we systematically knocked down each of the 20 ETS factors expressed in thyroid tumors and screened their effects on TERT expression in seven thyroid cancer cell lines with defined TPM status. We observed that, unlike in other TPM-carrying cancers such as glioblastomas, ETS factor GABPA does not unambiguously regulate transcription from the TERT mutant promoter in thyroid specimens. In fact, multiple members of the ETS family impact TERT expression, and they typically do so in a mutation-independent manner. In addition, we observe that partial inhibition of MAPK, a central pathway in thyroid cancer transformation, is more effective at suppressing TERT transcription in the absence of TPMs. Taken together, our results show a more complex scenario of TERT regulation in thyroid cancers compared to other lineages, suggest that compensatory mechanisms by ETS and other regulators likely exist and advocate for the need of a more comprehensive understanding of the mechanisms of TERT deregulation in thyroid tumors before eventually exploring TPM-specific therapeutic strategies. Graphical Abstract