Abstract Activating point mutations of the BRAF gene have been recently reported in papillary thyroid carcinomas. In this study, we analyzed 320 thyroid tumors and six anaplastic carcinoma cell lines and detected BRAF mutations in 45 (38%) papillary carcinomas, two (13%) poorly-differentiated carcinomas, three (10%) anaplastic carcinomas, and five (83%) thyroid anaplastic carcinoma cell lines but not in follicular, Hürthle cell, and medullary carcinomas, follicular and Hürthle cell adenomas, or benign hyperplastic nodules. All mutations involved a T→A transversion at nucleotide 1796. In papillary carcinomas, BRAF mutations were associated with older age, classic papillary carcinoma or tall cell variant histology, extrathyroidal extension, and more frequent presentation at stages III and IV. All BRAF-positive poorly differentiated and anaplastic carcinomas contained areas of preexisting papillary carcinoma, and mutation was present in both the well-differentiated and dedifferentiated components. These data indicate that BRAF mutations are restricted to papillary carcinomas and poorly differentiated and anaplastic carcinomas arising from papillary carcinomas. They are associated with distinct phenotypical and biological properties of papillary carcinomas and may participate in progression to poorly differentiated and anaplastic carcinomas.

BACKGROUND. Poorly differentiated thyroid cancer (PDTC) and anaplastic thyroid cancer (ATC) are rare and frequently lethal tumors that so far have not been subjected to comprehensive genetic characterization.

Context: Cell lines derived from human cancers provide critical tools to study disease mechanisms and develop novel therapies. Recent reports indicate that up to 36% of cell lines are cross- contaminated.

Abstract Patients with poorly differentiated thyroid cancers (PDTC), anaplastic thyroid cancers (ATC), and radioactive iodine-refractory (RAIR) differentiated thyroid cancers have a high mortality, particularly if positive on [18F]fluorodeoxyglucose (FDG)-positron emission tomography (PET). To obtain comprehensive genetic information on advanced thyroid cancers, we designed an assay panel for mass spectrometry genotyping encompassing the most significant oncogenes in this disease: 111 mutations in RET, BRAF, NRAS, HRAS, KRAS, PIK3CA, AKT1, and other related genes were surveyed in 31 cell lines, 52 primary tumors (34 PDTC and 18 ATC), and 55 RAIR, FDG-PET-positive recurrences and metastases (nodal and distant) from 42 patients. RAS mutations were more prevalent than BRAF (44 versus 12%; P = 0.002) in primary PDTC, whereas BRAF was more common than RAS (39 versus 13%; P = 0.04) in PET-positive metastatic PDTC. BRAF mutations were highly prevalent in ATC (44%) and in metastatic tumors from RAIR PTC patients (95%). Among patients with multiple metastases, 9 of 10 showed between-sample concordance for BRAF or RAS mutations. By contrast, 5 of 6 patients were discordant for mutations of PIK3CA or AKT1. AKT1_G49A was found in 9 specimens, exclusively in metastases. This is the first documentation of AKT1 mutation in thyroid cancer. Thus, RAIR, FDG-PET–positive metastases are enriched for BRAF mutations. If BRAF is mutated in the primary, it is likely that the metastases will harbor the defect. By contrast, absence of PIK3CA/AKT1 mutations in one specimen may not reflect the status at other sites because these mutations arise during progression, an important consideration for therapies directed at phosphoinositide 3-kinase effectors. [Cancer Res 2009;69(11):4885–93]

Genes crucial for cancer development can be mutated via various mechanisms, which may reflect the nature of the mutagen. In thyroid papillary carcinomas, mutations of genes coding for effectors along the MAPK pathway are central for transformation. BRAF point mutation is most common in sporadic tumors. By contrast, radiation-induced tumors are associated with paracentric inversions activating the receptor tyrosine kinases RET and NTRK1. We report here a rearrangement of BRAF via paracentric inversion of chromosome 7q resulting in an in-frame fusion between exons 1–8 of the AKAP9 gene and exons 9–18 of BRAF. The fusion protein contains the protein kinase domain and lacks the autoinhibitory N-terminal portion of BRAF. It has elevated kinase activity and transforms NIH3T3 cells, which provides evidence, for the first time to our knowledge, of in vivo activation of an intracellular effector along the MAPK pathway by recombination. The AKAP9-BRAF fusion was preferentially found in radiation-induced papillary carcinomas developing after a short latency, whereas BRAF point mutations were absent in this group. These data indicate that in thyroid cancer, radiation activates components of the MAPK pathway primarily through chromosomal paracentric inversions, whereas in sporadic forms of the disease, effectors along the same pathway are activated predominantly by point mutations.

Abstract The BRAFT1799A mutation is the most common genetic alteration in papillary thyroid carcinomas (PTC). It is also found in a subset of papillary microcarcinomas, consistent with a role in tumor initiation. PTCs with BRAFT1799A are often invasive and present at a more advanced stage. BRAFT1799A is found with high prevalence in tall-cell variant PTCs and in poorly differentiated and undifferentiated carcinomas arising from PTCs. To explore the role of BRAFV600E in thyroid cancer pathogenesis, we targeted its expression to thyroid cells of transgenic FVB/N mice with a bovine thyroglobulin promoter. Two Tg-BRAFV600E lines (Tg-BRAF2 and Tg-BRAF3) were propagated for detailed analysis. Tg-BRAF2 and Tg-BRAF3 mice had increased thyroid-stimulating hormone levels (>7- and ∼2-fold, respectively). This likely resulted from decreased expression of thyroid peroxidase, sodium iodine symporter, and thyroglobulin. All lines seemed to successfully compensate for thyroid dysfunction, as serum thyroxine/triiodothyronine and somatic growth were normal. Thyroid glands of transgenic mice were markedly enlarged by 5 weeks of age. In Tg-BRAF2 mice, PTCs were present at 12 and 22 weeks in 14 of 15 and 13 of 14 animals, respectively, with 83% exhibiting tall-cell features, 83% areas of invasion, and 48% foci of poorly differentiated carcinoma. Tg-BRAF3 mice also developed PTCs, albeit with lower prevalence (3 of 12 and 4 of 9 at 12 and 22 weeks, respectively). Tg-BRAF2 mice had a 30% decrease in survival at 5 months. In summary, thyroid-specific expression of BRAFV600E induces goiter and invasive PTC, which transitions to poorly differentiated carcinomas. This closely recapitulates the phenotype of BRAF-positive PTCs in humans and supports a key role for this oncogene in its pathogenesis.

Thyroid cancers are infiltrated with tumor-associated macrophages (TAMs), yet their role in cancer progression is not known. The objectives of this study were to characterize the density of TAMs in well-differentiated (WDTC), poorly differentiated (PDTC), and anaplastic thyroid cancers (ATC) and to correlate TAM density with clinicopathologic parameters. Immunohistochemistry was performed on tissue microarray sections from WDTC (n=33), PDTC (n=37), and ATC (n=20) using macrophage-specific markers. Electronic medical records were used to gather clinical and pathologic data. Follow-up information of PDTC patients was available for 0-12 years. In total, 9 out of 33 WDTC (27%), 20 out of 37 PDTC (54%), and 19 out of 20 ATC (95%) had an increased density of CD68(+) TAMs (> or = 10 per 0.28 mm(2); WDTC versus PDTC, P=0.03; WDTC versus ATC, P<0.0001; PDTC versus ATC, P<0.002). Increased TAMs in PDTC was associated with capsular invasion (P=0.034), extrathyroidal extension (P=0.009), and decreased cancer-related survival (P=0.009) compared with PDTC with a low density of TAMs. In conclusion, the density of TAMs is increased in advanced thyroid cancers. The presence of a high density of TAMs in PDTC correlates with invasion and decreased cancer-related survival. These results suggest that TAMs may facilitate tumor progression. As novel therapies directed against thyroid tumor cell-specific targets are being tested, the potential role of TAMs as potential modulators of the thyroid cancer behavior will need to be considered.

The follicular variant of papillary thyroid carcinoma usually presents as an encapsulated tumor and less commonly as a partially/non-encapsulated infiltrative neoplasm. The encapsulated form rarely metastasizes to lymph node, whereas infiltrative tumor often harbors nodal metastases. The molecular profile of the follicular variant was shown to be close to the follicular adenoma/carcinoma group of tumors with a high RAS and very low BRAF mutation rates. A comprehensive survey of oncogenic mutations in the follicular variant of papillary thyroid carcinoma according to its encapsulated and infiltrative forms has not been performed. Paraffin tissue from 28 patients with encapsulated and 19 with infiltrative follicular variant were subjected to mass spectrometry genotyping encompassing the most significant oncogenes in thyroid carcinomas: 111 mutations in RET, BRAF, NRAS, HRAS, KRAS, PIK3CA, AKT1 and other related genes. There was no difference in age, gender, tumor size and angioinvasion between encapsulated or infiltrative tumors. Infiltrative carcinomas had a much higher frequency of extrathyroid extension, positive margins and nodal metastases than encapsulated tumors (P<0.05). The BRAF 1799T>A mutation was found in 5 of 19 (26%) of the infiltrative tumor and in none of the encapsulated carcinomas (P=0.007). In contrast, RAS mutations were observed in 10 of 28 (36%) of the encapsulated group (5 NRAS_Q61R, 3 HRAS_Q61, 1 HRAS_G13C and 1 KRAS_Q61R) and in only 2 of 19 (10%) of infiltrative tumors (P=0.09). One encapsulated carcinoma showed a PAX8/PPARgamma rearrangement, whereas two infiltrative tumors harbored RET/PTC fusions. Encapsulated follicular variant of papillary thyroid carcinomas have a molecular profile very close to follicular adenomas/carcinomas (high rate of RAS and absence of BRAF mutations). Infiltrative follicular variant has an opposite molecular profile closer to classical papillary thyroid carcinoma than to follicular adenoma/carcinoma (BRAF>RAS mutations). The molecular profile of encapsulated and infiltrative follicular variant parallels their biological behavior (ie, metastatic nodal and invasive patterns).

Advanced human thyroid cancers, particularly those that are refractory to treatment with radioiodine (RAI), have a high prevalence of BRAF (v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1) mutations. However, the degree to which these cancers are dependent on BRAF expression is still unclear. To address this question, we generated mice expressing one of the most commonly detected BRAF mutations in human papillary thyroid carcinomas (BRAFV600E) in thyroid follicular cells in a doxycycline-inducible (dox-inducible) manner. Upon dox induction of BRAFV600E, the mice developed highly penetrant and poorly differentiated thyroid tumors. Discontinuation of dox extinguished BRAFV600E expression and reestablished thyroid follicular architecture and normal thyroid histology. Switching on BRAFV600E rapidly induced hypothyroidism and virtually abolished thyroid-specific gene expression and RAI incorporation, all of which were restored to near basal levels upon discontinuation of dox. Treatment of mice with these cancers with small molecule inhibitors of either MEK or mutant BRAF reduced their proliferative index and partially restored thyroid-specific gene expression. Strikingly, treatment with the MAPK pathway inhibitors rendered the tumor cells susceptible to a therapeutic dose of RAI. Our data show that thyroid tumors carrying BRAFV600E mutations are exquisitely dependent on the oncoprotein for viability and that genetic or pharmacological inhibition of its expression or activity is associated with tumor regression and restoration of RAI uptake in vivo in mice. These findings have potentially significant clinical ramifications.

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&gt;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&gt;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.