Thyroid hormones are iodothyronines that control growth and development, as well as brain function and metabolism. Although thyroid hormone deficiency can be caused by defects of hormone synthesis and action, it has not been linked to a defect in cellular hormone transport. In fact, the physiological role of the several classes of membrane transporters remains unknown. We now report, for the first time, mutations in the monocarboxylate transporter 8 (MCT8) gene, located on the X chromosome, that encodes a 613–amino acid protein with 12 predicted transmembrane domains. The propositi of two unrelated families are males with abnormal relative concentrations of three circulating iodothyronines, as well as neurological abnormalities, including global developmental delay, central hypotonia, spastic quadriplegia, dystonic movements, rotary nystagmus, and impaired gaze and hearing. Heterozygous females had a milder thyroid phenotype and no neurological defects. These findings establish the physiological importance of MCT8 as a thyroid hormone transporter. Thyroid hormones are iodothyronines that control growth and development, as well as brain function and metabolism. Although thyroid hormone deficiency can be caused by defects of hormone synthesis and action, it has not been linked to a defect in cellular hormone transport. In fact, the physiological role of the several classes of membrane transporters remains unknown. We now report, for the first time, mutations in the monocarboxylate transporter 8 (MCT8) gene, located on the X chromosome, that encodes a 613–amino acid protein with 12 predicted transmembrane domains. The propositi of two unrelated families are males with abnormal relative concentrations of three circulating iodothyronines, as well as neurological abnormalities, including global developmental delay, central hypotonia, spastic quadriplegia, dystonic movements, rotary nystagmus, and impaired gaze and hearing. Heterozygous females had a milder thyroid phenotype and no neurological defects. These findings establish the physiological importance of MCT8 as a thyroid hormone transporter. Thyroid hormone plays a major role in vertebrate growth and development. It is absolutely necessary for amphibian metamorphosis and in mammals for brain development and metabolism. Its deficiency causes severe brain malfunction that, if not treated in early postnatal life, causes irreversible cretinism in humans. This is in part due to hypomyelination and to defects of cell migration and differentiation (Bernal Bernal, 2002Bernal J Action of thyroid hormone in brain.J Endocrinol Invest. 2002; 25: 268-288PubMed Google Scholar). The crucial role of thyroid hormone in fetal and early postnatal development has been established not only in animals but also in humans. The serious consequences ensuing from maternal hypothyroidism and early childhood hormone deprivation have been documented in endemic areas of iodine deficiency (Delange Delange, 2000Delange FM Endemic cretinism.in: Utiger RE Werner and Ingbar’s The Thyroid: A Fundamental and Clinical Text. Lippincott, Williams & Wilkins, Philadelphia2000: 743-754Google Scholar) and in inherited and acquired hypothyroidism occurring with high frequency in the Western world (Morreale de Escobar et al. Morreale de Escobar et al., 2000Morreale de Escobar G Obregon MJ Escobar del Rey F Is neuropsychological development related to maternal hypothyroidism or to maternal hypothyroxinemia?.J Clin Endocrinol Metab. 2000; 85: 3975-3987Crossref PubMed Scopus (529) Google Scholar). Thyroid hormones are iodothyronines synthesized in the thyroid gland. Their constant supply is ensured by two mechanisms: (1) secretion of hormone controlled by a feedback system involving the hypothalamo-pituitary-thyroid axis (Morley Morley, 1981Morley JE Neuroendocrine control of thyrotropin secretion.Endocr Rev. 1981; 2: 396-436Crossref PubMed Scopus (356) Google Scholar) and (2) hormone activation within the cells regulated by tissue iodothyronine deiodinases (St. Germain and Galton St. Germain and Galton, 1997St. Germain DL Galton VA The deiodinase family of selenoproteins.Thyroid. 1997; 7: 655-668Crossref PubMed Scopus (281) Google Scholar). Thyroid-stimulating hormone (TSH), originating from thyrotrophs in the pituitary gland, promotes the synthesis and secretion of thyroid hormones, principally 3,5,3′,5′-tetraiodothyronine (T4), or thyroxine. T4 is considered to be a prohormone, since it is converted to a biologically more potent hormone, 3,3′,5-triiodothyronine (T3), by 5′-monodeiodination in virtually all tissues. In contrast, removal of an iodine from the 5 position produces the inactive metabolite 3,3′,5′-triiodothyronine, or reverse T3 (rT3). T3, but not rT3, suppresses TSH secretion, closing the tightly regulated feedback loop (Larsen et al. Larsen et al., 1981Larsen PR Silva JE Kaplan MM Relationships between circulating and intracellular thyroid hormones: physiological and clinical implications.Endocr Rev. 1981; 2: 87-102Crossref PubMed Scopus (452) Google Scholar). The effects of thyroid hormone are dependent on the quantity of the hormone that reaches peripheral tissues and the availability of unaltered thyroid hormone receptors in cell nuclei. There is an excellent correlation between serum free T4 and T3 concentrations and the activity level of thyroid hormone–dependent processes. This apparent equilibrium between the intracellular and serum free fraction of the hormone has perpetuated the hypothesis of passive thyroid hormone diffusion into target cells (Ekins Ekins, 1992Ekins R The free hormone hypothesis and measurement of free hormones.Clin Chem. 1992; 38: 1289-1293PubMed Google Scholar). Nevertheless, several classes of membrane transporters with different kinetics and substrate preferences have been identified as likely candidates for transmembrane thyroid hormone carriers (Hennemann et al. Hennemann et al., 2001Hennemann G Docter R Friesema EC de Jong M Krenning EP Visser TJ Plasma membrane transport of thyroid hormones and its role in thyroid hormone metabolism and bioavailability.Endocr Rev. 2001; 22: 451-476Crossref PubMed Scopus (253) Google Scholar; Abe et al. Abe et al., 2002Abe T Suzuki T Unno M Tokui T Ito S Thyroid hormone transporters: recent advances.Trends Endocrinol Metab. 2002; 13: 215-220Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (94) Google Scholar; Friesema et al. Friesema et al., 2003Friesema EC Ganguly S Abdalla A Manning Fox JE Halestrap AP Visser TJ Identification of monocarboxylate transporter 8 as a specific thyroid hormone transporter.J Biol Chem. 2003; 278: 40128-40135Crossref PubMed Scopus (494) Google Scholar). Their physiological role, however, remains unknown. This is principally because, in contrast to the common defects of thyroid hormone synthesis and action, no defects of membrane transport proteins have been identified so far (Refetoff et al. Refetoff et al., 2001Refetoff S Dumont JE Vassart G Thyroid disorders.in: Vogelstein The Metabolic and Molecular Basis of Inherited Disease. Vol 2. McGraw-Hill, New York2001: 4029-4075Google Scholar). In this paper, we report two families with unusual thyroid function tests showing abnormalities in the relative serum levels of iodothyronines, measured by specific immunometric assays (Elecsys 2010 [Roche]). The studies were approved by the institutional review board of the University of Chicago. Family Ro is of German origin. The propositus, an 8-year-old boy, is the second child born to nonconsanguineous and apparently healthy parents, after an uneventful pregnancy and delivery. Neonatal screening for congenital hypothyroidism showed normal TSH levels but neurological defects were apparent during the 1st wk of life. Thyroid function tests obtained at 5 mo of age were allegedly normal (values not available). Abnormal thyroid tests, first observed at 17 mo of age, consisted of low total T4 (TT4) of 3.3 μg/dl (normal range 4.5–13 μg/dl) and borderline high TSH of 4.1 mU/L (normal <4 mU/L), which became overtly elevated (8.6 mU/L) at 24 mo, prompting treatment with 50 μg/day of L-T4. Neurological abnormalities in the 1st wk consisted of dystonia, irritability, feeding problems, and rotary nystagmus. Subsequent motor and mental development was severely delayed. At the age of 2 years, the boy was unable to sit, crawl, or stand and had paroxysmal dystonia. No seizures were observed, and electroencephalogram (EEG) results and magnetic resonance imaging (MRI) were normal. No further progress occurred over the ensuing 5 years. There was no verbal communication or gaze contact, and the child was quadriplegic. He was macrosomic at birth and during the 1st year of life, but height and weight were in the 50th percentile from the 2nd year on, and bone age was normal. The onset of insulin-dependent diabetes mellitus, at 3 years of age, was heralded by an episode of hyperosmolar coma with moderate ketoacidosis. There is no family history of neurological diseases, and an older brother is healthy. The most recent thyroid function tests revealed low TT4, free T4 index (FT4I), and rT3, with high TT3 and slightly elevated TSH (fig. 1A). These results were replicated in several samples collected at different times. Free T4 (FT4) was also low, at 0.67 ng/dl (normal range 0.77–1.53 ng/dl), and free T3 was high, at 5.2 pg/ml (normal range 2.3–4.2 pg/ml). The mother of the propositus showed a milder form of the phenotype, with low or low-normal TT4, FT4I, and rT3, normal TSH, and high-normal TT3, and with no neurological abnormalities. Other family members did not exhibit the same thyroid phenotype (fig. 1A). A maternal aunt, an uncle, and the grandmother have autoimmune thyroid disease (AITD), as evidenced by positive peroxidase and thyroglobulin antibodies. The isolated thyroid function test abnormalities in these subjects are related to AITD. Family Fi is of a combined ethnic background, including Scottish, English, and Cree Indian. The 3-year-old male propositus was the product of a full-term pregnancy and normal delivery. Neonatal screening showed a low T4 and normal TSH. These results were confirmed at the 12th postnatal day, showing a T4 of 4.7 μg/dl (normal >7 μg/dl) and a TSH of 1.5 mU/L. Additional tests showed low FT4 but otherwise a vigorous infant and no stigmata of congenital hypothyroidism. The working diagnosis was central hypothyroidism, and the infant was started on 37.5 μg/day of L-T4. At 3 mo of age, he was having feeding problems, with recurrent aspiration, frequent emesis, intermittent dysconjugate eye movements, and central hypotonia, followed by increased peripheral hypertonia, resulting in spastic quadriplegia. MRI of the brain was normal. Thyroid function tests at 17 d, 6 mo, and 8 mo showed the same pattern as that observed at 2 years of age (fig. 2A), as well as that of the propositus from family Ro—namely, low TT4 and FT4, with high TT3, FT3, and TSH, while on a low dose of L-T4. The mother of the propositus, a maternal aunt, and the maternal grandmother showed a milder thyroid phenotype, with borderline low TT4, FT4I, and rT3 but normal TT3 and TSH (fig. 2A). The maternal aunt was severely handicapped by mental retardation but had no other neurological abnormalities. One finding of interest was that a maternal uncle with cerebral palsy, severe global developmental delay, and seizure disorder, died at 10 years of age. The postmortem diagnosis was Reye syndrome, showing cerebral edema, fatty-liver changes, and serum varicella antibodies. At the time of the autopsy, a general atrophy of the skeletal muscles was noted—in particular, the muscles of lower limbs—and the toes were flexed. Other findings were loss of neurons in the cerebral cortex, cerebellum, and basal ganglia. The latter also had small deposits of calcium. The maternal grandfather had a mild TSH elevation due to AITD, which was confirmed by positive peroxidase antibodies. The reciprocal elevation of serum T3 concentration relative to that of rT3 suggested the possibility of a defect in thyroid hormone metabolism. Accordingly, we first searched for linkage of the thyroid phenotype to the three iodothyronine deiodinases located on chromosomes 1 and 14 (Bianco et al. Bianco et al., 2002Bianco AC Salvatore D Gereben B Berry MJ Larsen PR Biochemistry, cellular and molecular biology, and physiological roles of the iodothyronine selenodeiodinases.Endocr Rev. 2002; 23: 38-89Crossref PubMed Scopus (1099) Google Scholar). Using informative polymorphic markers to genotype the families, we were able to exclude linkage to all three genes (not shown). We therefore turned to the newly characterized iodothyronine transporter, MCT8 (Friesema et al. Friesema et al., 2003Friesema EC Ganguly S Abdalla A Manning Fox JE Halestrap AP Visser TJ Identification of monocarboxylate transporter 8 as a specific thyroid hormone transporter.J Biol Chem. 2003; 278: 40128-40135Crossref PubMed Scopus (494) Google Scholar). The location of this gene on the X chromosome and the more severe expression of the phenotype in the males of these two families, with the females only mildly affected, made MCT8 a likely candidate gene. Indeed, in both families, males had more pronounced thyroid hormone abnormalities, as well as a neurological phenotype. The four females had a milder thyroid phenotype, and none exhibited the neurological defects present in the males (fig. 3). Thus, we sequenced (ABI 377 [PerkinElmer]) all five exons and flanking intronic sequences of the MCT8 gene by use of genomic DNA obtained from circulating mononuclear cells. Single-nucleotide mutations were identified in affected subjects of both families. In family Ro, a T-to-C transition in codon 512 in exon 5 (c.1535T→C) predicts the replacement of the normal leucine (CTG) with a proline (CCG), mutation L512P (fig. 1B). This mutation is located in the fifth intracytoplasmic loop of MCT8, at the junction with the 10th transmembrane segment. The mutation creates a new HpaII restriction site, which was used to genotype all members of the family. As shown in figure 1C, the 530-bp DNA generated by PCR amplification of the WT exon 5 produced two bands, 327 bp and 203 bp, when digested with HpaII (New England Biolabs). In contrast, DNA amplified from the mutant allele and digested with the same enzyme produced two additional bands, 235 bp and 92 bp, by restriction of the 327-bp fragment. The propositus was hemizygous and the mother heterozygous for the mutations. No other family members harbored this mutation. The pattern of inheritance was further examined using the polymorphic tetranucleotide repeats DXS6800 and DXS6785, located 0 cM and 4.8 cM centromeric from MCT8, respectively. Following PCR amplification, using fluorescent labeled primers (Research Genetics, Invitrogen), we determined that the mutant maternal allele was inherited from the unaffected grandfather (fig. 1D). However, neither he nor his two unaffected daughters (individuals II4 and II5 in fig. 1A) harbored the L512P mutation, indicating that the mutation occurred de novo in the germline of the grandfather or early in the embryonic development of the mother of the propositus. Sequencing of the MCT8 gene of the affected propositus of family Fi revealed a single-nucleotide deletion (c.1212delT) in exon 3. The loss of a T in codon 404 (GCT) creates a frameshift starting at the seventh transmembrane segment and predicting a nonsense protein with a stop codon in position 416, at the junction with the fourth extracellular loop (fig. 2B). This mutation generates a new restriction site for HhaI. A 178-bp product, amplified from the mutant allele, produces two fragments of 101 bp and 77 bp when digested with HhaI, whereas the wild-type (WT) fragment remains intact. Genotyping using this new HhaI site identified the mutation in one allele of the mother, a maternal aunt, and the maternal grandmother (fig. 2C). All three also expressed the thyroid phenotype, although to a lesser extent than the hemizygous propositus (fig. 2A). We were able to obtain postmortem material from the maternal uncle (II4), who died in 1992 at the age of 10 (see above). Genomic DNA, extracted from paraffin-embedded liver by use of a standard technique (Shi et al. Shi et al., 2002Shi SR Cote RJ Wu L Liu C Datar R Shi Y Liu D Lim H Taylor CR DNA extraction from archival formalin-fixed, paraffin-embedded tissue sections based on the antigen retrieval principle: heating under the influence of pH.J Histochem Cytochem. 2002; 50: 1005-1011Crossref PubMed Scopus (207) Google Scholar), revealed that he was hemizygous for the mutation found in the propositus (III1). Neither of the nucleotide abnormalities identified in the two families was present in 218 chromosomes from unrelated normal subjects. Recently, several thyroid hormone transporters have been identified, belonging to different families of solute carriers, including organic anion, amino acid, and monocarboxylate transporters. Eight organic anion transporting polypeptides (OATP) belonging to the solute carrier family 21 (SLC21) have been identified in humans. They transport different ligands in a sodium-independent manner (Abe et al. Abe et al., 2002Abe T Suzuki T Unno M Tokui T Ito S Thyroid hormone transporters: recent advances.Trends Endocrinol Metab. 2002; 13: 215-220Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (94) Google Scholar) and seem to have 12 transmembrane domains (TMDs) but low amino acid identity. Some have been proven to transport thyroid hormone with different affinities and have variable translational efficiency (Pizzagalli et al. Pizzagalli et al., 2002Pizzagalli F Hagenbuch B Stieger B Klenk U Folkers G Meier PJ Identification of a novel human organic anion transporting polypeptide as a high affinity thyroxine transporter.Mol Endocrinol. 2002; 16: 2283-2296Crossref PubMed Scopus (243) Google Scholar). NTCP (SLC10A1), expressed only in hepatocytes, has seven transmembrane domains and transports thyroid hormone but is believed to be the major transporter for unconjugated bile acids (Hagenbuch and Dawson Hagenbuch and Dawson, 2003Hagenbuch B Dawson P The sodium bile salt cotransport family SLC10. 2003; (accessed December 4, 2003)http://www.springerlink.com/app/home/contribution.asp?wasp=n1drtgugum0thul3hjf3&referrer=parent&backto=issue,28,55;journal,1,101;linkingpublicationresults,id:100448,1Google Scholar). The 4F2-related heterodimeric amino acid transporters belong to the SLC7 family. The ubiquitously expressed 4F2 has one TMD and is linked through a disulfite bond to the L amino acid transporters LAT1 and LAT2, which have 12 TMDs. In addition to transporting neutral amino acids in a sodium-independent manner, they also transport thyroid hormone (Chairoungdua et al. Chairoungdua et al., 2001Chairoungdua A Kanai Y Matsuo H Inatomi J Kim DK Endou H Identification and characterization of a novel member of the heterodimeric amino acid transporter family presumed to be associated with an unknown heavy chain.J Biol Chem. 2001; 276: 49390-49399Crossref PubMed Scopus (64) Google Scholar). Finally, 14 monocarboxylate transporters (MCTs), also known as “family SLC16,” have been identified in humans, but little is known about their function (Halestrap and Meredith Halestrap and Meredith, 2003Halestrap AP Meredith D The SLC16 gene family—from monocarboxylate transporters (MCTs) to aromatic amino acid transporters and beyond. 2003; (accessed December 4, 2003)http://www.springerlink.com/app/home/contribution.asp?wasp=3e83c370qm2krh88udu7&referrer=parent&backto=issue,50,55;journal,1,101;linkingpublicationresults,id:100448,1Google Scholar). Four (MCT1–MCT4) have been demonstrated to catalyze the proton-linked transport of metabolically important monocarboxylates such as lactate, pyruvate, and ketone bodies (Bonen Bonen, 2001Bonen A The expression of lactate transporters (MCT1 and MCT4) in heart and muscle.Eur J Appl Physiol. 2001; 86: 6-11Crossref PubMed Scopus (177) Google Scholar; Mac and Nalecz Mac and Nalecz, 2003Mac M Nalecz KA Expression of monocarboxylic acid transporters (MCT) in brain cells. Implication for branched chain alpha-ketoacids transport in neurons.Neurochem Int. 2003; 43: 305-309Crossref PubMed Scopus (22) Google Scholar). MCT10 (TAT1) transports amino acids, and the rat homologue of human MCT8 was found to be a specific thyroid hormone transporter (Friesema et al. Friesema et al., 2003Friesema EC Ganguly S Abdalla A Manning Fox JE Halestrap AP Visser TJ Identification of monocarboxylate transporter 8 as a specific thyroid hormone transporter.J Biol Chem. 2003; 278: 40128-40135Crossref PubMed Scopus (494) Google Scholar). The wide range of endogenous and xenobiotic molecules for most of these transporters hampers the prediction of the putative phenotype in transporter deficiency. Their wide distribution and the role played by their ligands would predict multiple organ involvement. The ability to transport different iodothyronines suggests an overlapping, redundant function. On the other hand, their characteristics in terms of different tissue distribution and kinetics, as well as the binding of other possible ligands, qualify them to play distinctive roles in the fine tuning of the organ-specific availability of thyroid hormones. The study of families with abnormalities in the relative levels of serum iodothyronines offers the possibility to investigate putative defects in thyroid hormone transmembrane transport. MCT8 was initially cloned during the physical characterization of the region in Xq13.2 known to contain the X-inactivation center (Lafreniere et al. Lafreniere et al., 1994Lafreniere RG Carrel L Willard HF A novel transmembrane transporter encoded by the XPCT gene in Xq13.2.Hum Mol Genet. 1994; 3: 1133-1139Crossref PubMed Scopus (95) Google Scholar). The deduced amino acid sequence and its hydrophobicity predicted a protein with 12 TMDs and an N-terminal domain rich in proline/glutamic acid repeats, compatible with rapid conditional degradation of the protein. It was found to be subject to inactivation, despite its location within 600 kb from XIST, the gene that is expressed exclusively from the inactive X. Cloning of the mouse homologue showed 85% nucleotide identity with the human gene and conservation of the overall protein structure (Debrand et al. Debrand et al., 1998Debrand E Heard E Avner P Cloning and localization of the murine Xpct gene: evidence for complex rearrangements during the evolution of the region around the Xist gene.Genomics. 1998; 48: 296-303Crossref PubMed Scopus (18) Google Scholar). Recently, thyroid hormone transport function was demonstrated in the rat homologue of MCT8 by in vitro expression in Xenopus oocytes (Friesema et al. Friesema et al., 2003Friesema EC Ganguly S Abdalla A Manning Fox JE Halestrap AP Visser TJ Identification of monocarboxylate transporter 8 as a specific thyroid hormone transporter.J Biol Chem. 2003; 278: 40128-40135Crossref PubMed Scopus (494) Google Scholar). It is characterized by a 10-fold increase in the uptake of a variety of iodothyronines. Although a systematic survey of other potential substrates was not undertaken, the four amino acids tyrosine, tryptophan, phenylalanine, and leucine did not compete with the transport of iodothyronines. The severe neurological phenotype—despite mild perturbation of thyroid hormone levels, the lack of other stigmata of generalized thyroid hormone deprivation, and the lack of neurological improvement even after the normalization of serum TSH during treatment with thyroid hormone—suggested possible preferential function in brain tissue. We therefore reexamined the expression of MCT8 mRNA in different human tissues by real-time PCR of RNA extracted from fresh tissues by TRIzol reagent (Invitrogen). After reverse transcription with random primers (Invitrogen), the cDNA template was analyzed using two different primer pairs annealing to coding sequences across exons 1 and 2 and exons 4 and 6 of MCT8. Signals at low cycles of 27 to 29 suggested relative abundance of MCT8 mRNA in all tissues examined. Content relative to that in COS7 cells (29 cycles = 1) was 0.5 brain, 3.1 thyroid, 2.3 adrenal, 2.7 liver, 1.1 placenta, and 1.0 pituitary. Results were corrected for the abundance of 18S rRNA in the corresponding samples. We were also interested to explore the mechanism of the apparent dominant expression of the thyroid but not the neurological phenotype, as observed in the four female heterozygotes for the MCT8 mutations. Several possibilities were considered, including a selective X inactivation. For this purpose, we tested the X-inactivation status using the androgen-receptor (AR) assay. The primers used flank a sequence containing a highly polymorphic CAG repeat and two HhaI sites in exon 1 of the AR gene (Allen et al. Allen et al., 1992Allen RC Zoghbi HY Moseley AB Rosenblatt HM Belmont JW Methylation of HpaII and HhaI sites near the polymorphic CAG repeat in the human androgen-receptor gene correlates with X chromosome inactivation.Am J Hum Genet. 1992; 51: 1229-1239PubMed Google Scholar). As previously shown, when using the mock digested gDNA as the PCR template, all alleles would get amplified, whereas using the HhaI-digested gDNA as the template would amplify only the inactive alleles, which are methylated and therefore resistant to restriction digestion with HhaI. For gDNA obtained from a male, digestion with HhaI should not produce a PCR product. In a sample obtained from a female, both alleles should be present if the X chromosome is subject to random inactivation, or, in the case of skewed inactivation, only the allele that is preferentially inactivated will be amplified. Results from both families are presented in figure 4 and show no clear preferential X inactivation in informative females with different AR alleles. These results are compatible with both dominant-negative effect and haploinsufficiency as mechanisms for the dominant expression of the thyroid phenotype. This is not conclusive, since preferential X inactivation may be tissue specific, and results obtained in circulating mononuclear cells might not correlate with that in other tissues. No other tissues from the affected females were available for testing. The mechanism responsible for the observed phenotype remains unclear. The serum thyroid test abnormalities may represent differences in the rates of iodothyronine transport resulting from the reduction or absence of MCT8. However, secondary effects on iodothyronine metabolism cannot be excluded. The discrepancy between the thyroid and neurological findings may be due to action of MCT8 in the brain that is unrelated to thyroid hormone transport. This would not be surprising, given its possible role in the transport of other substrates. The occurrence of diabetes mellitus in one of the affected males is probably not associated with the MCT8 mutation. Irrespective of the mechanism mediating the observed defects, the finding of thyroid hormone abnormalities linked to defects of MCT8 provides, for the first time, definite evidence that thyroid hormone transfer into cells does not occur through passive diffusion. The physiological role of other putative hormone transporters remains to be determined. Note added in proof.—We recently learned that the laboratory of Professor Theo Visser has identified MCT8 mutations in members of two families with a phenotype similar to that described in this work. Their results were presented at the meeting of the American Thyroid Association, which took place in Palm Beach, FL, from September 16 to September 22, 2003 (Thyroid 13:672). We are grateful to Neal H. Scherberg for performing the tests of thyroid function in serum, and we thank the patients and their families for their willingness to participate in this study. We thank Drs. Lars Moeller and Roy E. Weiss for review of the manuscript and for their helpful suggestions during the course of the investigation. This work was supported in part by National Institutes of Health grants RR00055 and DK17050 (to S.R.). A.M.D. is a Howard Hughes Medical Institute Predoctoral Fellow. Errata et al.The American Journal of Human GeneticsMarch, 2004In BriefIn the January 2004 issue of the Journal, an error was introduced during production into the article “A Novel Syndrome Combining Thyroid and Neurological Abnormalities Is Associated with Mutations in a Monocarboxylate Transporter Gene,” by Dumitrescu et al.. In the original manuscript submission, the authors included a note acknowledging that Theo Visser’s group had made similar findings, which were to be reported at an upcoming meeting. This was mistakenly designated a “Note Added in Proof” in the published version of the paper. Full-Text PDF Open Archive

The occurrence of a bizarre familial syndrome combining deaf-mutism, stippled epiphyses, goiter and abnormally high PBI in 2 of 6 children of a consanguineous marriage is described. Mean PBI levels were 14 and 21 μg/100 ml; BEI 9 and 15 μg/100 ml; T4-by-column 11 and 14 μg/100 ml; 24-hr 131I uptake 49 and 70%; 24-hr PB13lI conversion ratios 40 and 41%; thyro-binding index 0.81 and 0.93; TBG 17 and 20 μg/100 ml; antithyroglobulin titer less than 1:16. Potassium perchlorate discharge test was normal. Iodine metabolism studied in one subject revealed thyroid iodine clearance of 24 ml/min and renal clearance of 26 ml/min. Urinary iodide excretion was 294 υg/day, and PB131I was over 70% as T4. The T4 was identified on paper chromatography in 3 solvent systems. The free thyroxine level was 4.9 mμg/100 ml. An infant of 8 weeks had a mean PBI of 19.3 μg/100 ml, TBG of 15.8 μg/100 ml, and presumably also has the syndrome. Another sib had a mean PBI of 11 μg/100 ml. Two sibs and the parents are normal. A hypothesis is advanced suggesting the possibility of inhibition of thyroid hormone transport into tissue, or end-organ resistance to the hormone in view of the eumetabolic state of the subjects in the presence of high circulating levels of blood thyroxine and normal thyroxine binding capacity.

To define the roles of circadian rhythmicity (intrinsic effects of time of day independent of the sleep or wake condition) and sleep (intrinsic effects of the sleep condition, irrespective of the time of day) on the 24-h variation in glucose tolerance, eight normal men were studied during constant glucose infusion for a total of 53 h. The period of study included 8 h of nocturnal sleep, 28 h of continuous wakefulness, and 8 h of daytime sleep. Blood samples for the measurement of glucose, insulin, C-peptide, cortisol, and growth hormone were collected at 20-min intervals throughout the entire study. Insulin secretion rates were derived from C-peptide levels by deconvolution. Sleep was polygraphically monitored. During nocturnal sleep, levels of glucose and insulin secretion increased by 31 +/- 5% and 60 +/- 11%, respectively, and returned to baseline in the morning. During sleep deprivation, glucose levels and insulin secretion rose again to reach a maximum at a time corresponding to the beginning of the habitual sleep period. The magnitude of the rise above morning levels averaged 17 +/- 5% for glucose and 49 +/- 8% for calculated insulin secretion. Serum insulin levels did not parallel the circadian variation in insulin secretion, indicating the existence of an approximate 40% increase in insulin clearance during the night. Daytime sleep was associated with a 16 +/- 3% rise in glucose levels, a 55 +/- 7% rise in insulin secretion, and a 39 +/- 5% rise in serum insulin. The diurnal variation in insulin secretion was inversely related to the cortisol rhythm, with a significant correlation of the magnitudes of their morning to evening excursions. Sleep-associated rises in glucose correlated with the amount of concomitant growth hormone secreted. These studies demonstrate previously underappreciated effects of circadian rhythmicity and sleep on glucose levels, insulin secretion, and insulin clearance, and suggest that these effects could be partially mediated by cortisol and growth hormone.

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 (&gt;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.

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.

The primary function of the thyroid gland is to metabolize iodide by synthesizing thyroid hormones, which are critical regulators of growth, development and metabolism in almost all tissues. So far, research on thyroid morphogenesis has been missing an efficient stem-cell model system that allows for the in vitro recapitulation of the molecular and morphogenic events regulating thyroid follicular-cell differentiation and subsequent assembly into functional thyroid follicles. Here we report that a transient overexpression of the transcription factors NKX2-1 and PAX8 is sufficient to direct mouse embryonic stem-cell differentiation into thyroid follicular cells that organize into three-dimensional follicular structures when treated with thyrotropin. These in vitro-derived follicles showed appreciable iodide organification activity. Importantly, when grafted in vivo into athyroid mice, these follicles rescued thyroid hormone plasma levels and promoted subsequent symptomatic recovery. Thus, mouse embryonic stem cells can be induced to differentiate into thyroid follicular cells in vitro and generate functional thyroid tissue. Transient overexpression of the transcription factors NKX2-1 and PAX8 in a murine cell model is shown to direct the differentiation of embryonic stem cells towards a thyroid follicular cell lineage; the resulting three-dimensional thyroid follicles created by subsequent thyrotropin treatment show hallmarks of thyroid function in vitro and rescue thyroid function in vivo when transplanted into athyroid mice, adding to our understanding of the molecular mechanisms underlying thyroid development. Sabine Costagliola and colleagues report a protocol that converts mouse embryonic stem cells into functional thyroid follicles in vitro. Overexpression of the transcription factors NKX2.1 and PAX8 directs differentiation towards thyroid follicular cells, which undergo self-assembly when treated with thyrotropin. The resulting three-dimensional thyroid follicles show hallmarks of thyroid function in vitro, and can rescue multiple symptoms when transplanted into athyroid mice. This work not only adds to our understanding of the molecular mechanism behind thyroid development, but also paves the way for regenerative medicine to treat congenital hypothyroidism, the most common congenital endocrine disease in humans.

Intestinal IL-17-producing T helper (Th17) cells are dependent on adherent microbes in the gut for their development. However, how microbial adherence to intestinal epithelial cells (IECs) promotes Th17 cell differentiation remains enigmatic. Here, we found that Th17 cell-inducing gut bacteria generated an unfolded protein response (UPR) in IECs. Furthermore, subtilase cytotoxin expression or genetic removal of X-box binding protein 1 (Xbp1) in IECs caused a UPR and increased Th17 cells, even in antibiotic-treated or germ-free conditions. Mechanistically, UPR activation in IECs enhanced their production of both reactive oxygen species (ROS) and purine metabolites. Treating mice with N-acetyl-cysteine or allopurinol to reduce ROS production and xanthine, respectively, decreased Th17 cells that were associated with an elevated UPR. Th17-related genes also correlated with ER stress and the UPR in humans with inflammatory bowel disease. Overall, we identify a mechanism of intestinal Th17 cell differentiation that emerges from an IEC-associated UPR.

Impaired sensitivity to thyroid hormones encompasses disorders with defective transport of hormones into cells, reduced hormone metabolism and resistance to hormone action. Mediated by heritable single gene defects, these rare conditions exhibit different patterns of discordant thyroid function associated with multisystem phenotypes. In this context, challenges include ruling out other causes of biochemical discordance, making a diagnosis using clinical features together with identification of pathogenic variants in causal genes and managing these rare disorders with a limited evidence base. For each condition, the present guidelines aim to inform clinical practice by summarising key clinical features and useful investigations, criteria for molecular genetic diagnosis and pathways for management and therapy. Specific, key recommendations were developed by combining the best research evidence available with the knowledge and clinical experience of panel members, to achieve a consensus.