The telomerase enzyme is a potential therapeutic target in many human cancers. A series of potent inhibitors has been designed by computer modeling, which exploit the unique structural features of quadruplex DNA. These 3,6,9-trisubstituted acridine inhibitors are predicted to interact selectively with the human DNA quadruplex structure, as a means of specifically inhibiting the action of human telomerase in extending the length of single-stranded telomeric DNA. The anilino substituent at the 9-position of the acridine chromophore is predicted to lie in a third groove of the quadruplex. Calculated relative binding energies predict enhanced selectivity compared with earlier 3,6-disubstituted compounds, as a result of this substituent. The ranking order of energies is in accord with equilibrium binding constants for quadruplex measured by surface plasmon resonance techniques, which also show reduced duplex binding compared with the disubstituted compounds. The 3,6,9-trisubstututed acridines have potent in vitro inhibitory activity against human telomerase, with EC 50 values of up to 60 nM.

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 The sodium/iodide symporter (NIS) frequently shows diminished plasma membrane (PM) targeting in differentiated thyroid cancer (DTC), resulting in suboptimal radioiodide (RAI) treatment and poor prognosis. The mechanisms which govern the endocytosis of NIS away from the PM are ill-defined. Here, we challenged the hypothesis that new mechanistic understanding of NIS endocytosis would facilitate prediction of patient outcomes and enable specific drug modulation of RAI uptake in vivo. Through mutagenesis, NanoBiT interaction assays, cell surface biotinylation assays, RAI uptake and NanoBRET, we identify an acidic dipeptide within the NIS C-terminus which mediates binding to the σ2 subunit of the Adaptor Protein 2 (AP2) heterotetramer. We discovered that the FDA-approved drug chloroquine modulates NIS accumulation at the PM in a functional manner that is AP2 dependent. In vivo, chloroquine treatment of BALB/c mice significantly enhanced thyroidal uptake of 99m Tc pertechnetate in combination with the histone deacetylase (HDAC) inhibitor SAHA, accompanied by increased thyroidal NIS mRNA. Bioinformatic analyses validated the clinical relevance of AP2 genes with disease-free survival in RAI-treated DTC, enabling construction of an AP2 gene-related risk score classifier for predicting recurrence. We propose that NIS internalisation is orchestrated by the interaction of a C-terminal diacidic motif with AP2σ2, together with the proto-oncogene PBF acting via AP2μ2. Given that NIS internalisation was specifically druggable in vivo, our data provide new translatable potential for improving RAI therapy using FDA-approved drugs in patients with aggressive thyroid cancer. Summary We delineate the role of endocytic genes in regulating NIS activity at the plasma membrane and highlight the potential for systemic targeting of endocytosis to enhance radioiodine effectiveness in radioiodine-refractory cancer cells.