Ofta kallad livets byggstenar, celler är komplexa och mycket dynamiska. Den genetiska informationen som kodas inuti gör det möjligt för dem att bygga biomolekylära komponenter som proteiner, DNA, och RNA, som sätts ihop till större, mer komplexa enheter – från otaliga organeller till i slutändan hela celler – som i sin tur bildar vävnader som sedan ger upphov till hela organismer. Kontroll över organisationsnivåerna är avgörande för livet, men okontrollerad celltillväxt orsakar många dödliga sjukdomar, inklusive cancer.

För att undersöka vad som händer inuti celler när de riskerar att bli cancer, forskare som arbetar i Richard Kriwackis laboratorium vid St. Jude Children's Research Hospital har använt neutroner vid Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Teamet söker för att bättre förstå det förändrade tillståndet hos nukleolen - en membranlös organell inuti cellen - när cellen är äventyrad. Ny insikt i cellbeteende i atom- och molekylskalan kommer att möjliggöra bättre upptäckt och behandling av cancer i dess många former.

"I över 100 år har Det har varit känt att cancerceller har större nukleoler än normala celler. Nukleoler är som vätskefabriker, eller löpande band för produktion av ribosomer - komplexa enzymer som länkar aminosyror samman för att göra proteiner. Nivån av ribosomproduktion är relaterad till hur snabbt cellen kan växa, sa Eric Gibbs, en postdoktor som arbetar i Kriwackis grupp. "Att förhindra okontrollerad ribosombiogenes är avgörande för att förhindra spridning, eller spridningen, av cancerceller i hela kroppen. "

I början av 2020, innan covid-19-pandemin började, Gibbs utförde neutronspridningsexperiment vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) för att studera interaktionerna mellan två nukleolära proteiner - nukleofosmin och ett naturligt förekommande tumörsuppressorprotein som kallas den alternativa läsramen, eller ARF. ARF-tumörsuppressorn uttrycks när celler känner av de tidiga förändringarna på vägen till att bli cancer - en process som kallas onkogen stress.

Enligt Gibbs, nukleofosmin hjälper till vid sammansättningen av ribosomala komponenter i nukleolen som inkluderar flera protein- och RNA-molekyler. Nukleofosmin fungerar också som en eskort för sammansatta pre-ribosomala partiklar under deras transport från kärnan-den membranbundna organellen som omger kärnan-till cytoplasman utanför kärnan där alla cellulära proteiner syntetiseras.

"När celler upplever onkogen stress, ARF-tumörsuppressorn är överuttryckt, eller uppreglerad, och stänger av det ribosomala löpbandet genom att få de pre-ribosomala partiklarna att fastna i kärnan, vilket stoppar proteinproduktionen, " han sa.

ARF -tumörsuppressorn är viktig, Gibbs sa, eftersom det är bland de tre översta generna som är muterade i nästan alla cancerformer.

Tidigare studier av St. Jude och andra forskare fann att när ARF-genen raderades, storleken på cellens nukleolus ökade, liksom hastigheten för ribosommontering. De fann att cellen skulle producera betydligt mer protein än friska celler normalt gör, vilket resulterar i onormal tillväxt och proliferation av cancerceller. Förstå mekanismen, eller exakt hur ARF fungerar, kan vara avgörande för en djupare förståelse av tumörundertryckning, vilket skulle kunna leda till nya insikter om förbättrad terapi för patienter.

En hypotes om ARF-mekanismen involverar en process som kallas vätske-vätskefasseparation - samma process genom vilken olja och vatten separeras när de blandas ihop. Medan cellens kärna är fylld med en vätskeliknande nukleoplasmavätska omsluten av ett membran, kärnan inuti kärnan har ingen sådan membranbarriär, består istället huvudsakligen av proteiner och nukleinsyror som hålls samman via fasseparation.

När nukleofosmin och andra proteiner eller RNA isoleras och blandas ihop i lösning, fasseparerade droppar bildas. Dropparnas konsistens liknar den fysiologiska miljön i nukleolusen och tillhandahåller ett modellsystem för att studera interaktionerna mellan nukleofosmin och olika proteiner eller RNA.

I de flesta fallen, dropparna är mycket flytande och vätskeliknande, gör det möjligt för dem att smälta samman till större droppar. Men när nukleofosmin blandas med ARF, konsistensen är mycket mer gelatinös, styvare, vilket avsevärt begränsar droppfusionen.

"Så, varför är det så? Är det något med organisationen av nukleofosminmolekylerna? Gör olika koncentrationer av ARF att nukleofosminmolekylerna blir mer eller mindre rörliga? Är nukleofosminmolekylerna längre ifrån varandra eller närmare varandra? Det här är saker vi verkligen vill undersöka, ", sa Gibbs. "Vi tror att det är relaterat till effekterna av ARF på fasseparation av nukleofosmin - möjligen när ARF överuttrycks, nukleolen blir en mer stel struktur eftersom nukleofosminmolekylerna är närmare varandra. "

Neutroner är idealiska sonder för att studera biologisk materia på grund av deras neutrala laddning, deras oförstörande effekter på prover, och deras känslighet för lätta element som väte. De kan användas för att mäta storleken, form, och organisation av molekyler i ett brett spektrum av miljöer och förhållanden som är otillgängliga med andra tekniker.

Med hjälp av EQ-SANS-instrumentet på ORNL:s SNS, Gibbs kunde analysera de molekylära strukturerna i många olika prover med varierande koncentrationer av ARF och nukleofosmin. Experimenten hjälpte till att avgöra hur ARF påverkar den strukturella organisationen av nukleofosminmolekyler inom fasseparerade droppar i provröret och ger ny inblick i hur ARF stoppar ribosombiogenes i kärnan när den undertrycker tumörer.

"En av de coola sakerna med neutroner är att vi kan använda kontrastvariation som gör att vi kan växla mellan att titta på bara ARF-molekylerna, eller bara nukleofosminmolekylerna, inom droppar, förutom att kunna titta på båda samtidigt.

"Vi har redan identifierat några intressanta egenskaper i ARF-tumörsuppressorn. Till exempel, den har vissa hydrofoba motiv, som stöter bort vatten, liksom positivt laddad, hydrofila motiv, som lockar vatten - båda påverkar hur ARF binder till nukleofosmin och bildar droppar genom fasseparation, ", sa Gibbs. "Ju mer vi kan lära oss om dessa interaktioner, desto bättre rustade kommer vi att vara i kampen mot cancer."

Kriwacki lade till, "Dessa observationer, för första gången, visa att ARF, ett viktigt tumörundertryckande protein hos människor, måste ses genom fasseparationens lins för att förstå dess hämmande effekter på nukleoler i pre-cancerceller."