Vaak de bouwstenen van het leven genoemd, cellen zijn complex en zeer dynamisch. De genetische informatie die erin is gecodeerd, stelt hen in staat om biomoleculaire componenten zoals eiwitten, DNA, en RNA, die samenkomen in grotere, complexere eenheden - van talloze organellen tot uiteindelijk hele cellen - die op hun beurt weefsels vormen waaruit vervolgens hele organismen ontstaan. Controle over de organisatieniveaus is essentieel voor het leven, maar ongecontroleerde celgroei veroorzaakt veel dodelijke ziekten, waaronder kanker.

Om te onderzoeken wat er in cellen gebeurt als ze het risico lopen kanker te worden, wetenschappers die in het laboratorium van Richard Kriwacki in het St. Jude Children's Research Hospital werken, hebben neutronen gebruikt in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's). Het team probeert de veranderde toestand van de nucleolus - een membraanloos organel in de cel - beter te begrijpen wanneer de cel is aangetast. Nieuwe inzichten in celgedrag op atomaire en moleculaire schaal zullen een betere detectie en behandeling van kanker in zijn vele vormen mogelijk maken.

"Al meer dan 100 jaar het is bekend dat kankercellen grotere nucleoli hebben dan normale cellen. Nucleoli zijn als vloeibare fabrieken, of assemblagelijnen voor de productie van ribosomen - complexe enzymen die aminozuren aan elkaar koppelen om eiwitten te maken. Het niveau van ribosoomproductie is gerelateerd aan hoe snel de cel kan groeien, " zei Eric Gibbs, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Kriwacki. "Het voorkomen van ongecontroleerde ribosoombiogenese is van cruciaal belang om de voortplanting te voorkomen, of de verspreiding, van kankercellen door het hele lichaam."

Begin 2020, voordat de COVID-19-pandemie begon, Gibbs voerde neutronenverstrooiingsexperimenten uit bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) om de interacties tussen twee nucleolaire eiwitten te bestuderen - nucleofosmine en een natuurlijk voorkomend tumorsuppressoreiwit dat het alternatieve leeskader wordt genoemd, of ARF. De ARF-tumorsuppressor wordt tot expressie gebracht wanneer cellen de vroege veranderingen voelen op het pad om kanker te worden - een proces dat oncogene stress wordt genoemd.

Volgens Gibbs, nucleofosmine helpt bij de assemblage van ribosomale componenten in de nucleolus die meerdere eiwit- en RNA-moleculen bevatten. Nucleofosmine fungeert ook als een escorte voor geassembleerde pre-ribosomale deeltjes tijdens hun transport van de kern - het membraangebonden organel dat de nucleolus omhult - naar het cytoplasma buiten de kern waar alle cellulaire eiwitten worden gesynthetiseerd.

"Als cellen oncogene stress ervaren, de ARF-tumorsuppressor wordt tot overexpressie gebracht, of opgereguleerd, en sluit de ribosomale assemblagelijn af door ervoor te zorgen dat de pre-ribosomale deeltjes vast komen te zitten in de nucleolus, waardoor de eiwitproductie stopt, " hij zei.

De ARF-tumorsuppressor is belangrijk, Gibbs zei, omdat het tot de top drie van genen behoort die in bijna alle vormen van kanker zijn gemuteerd.

Eerdere studies door St. Jude en andere onderzoekers vonden dat wanneer het ARF-gen werd verwijderd, de grootte van de nucleolus van een cel nam toe, evenals de snelheid van ribosoomassemblage. Ze ontdekten dat de cel aanzienlijk meer eiwitten zou produceren dan gezonde cellen normaal doen, resulterend in abnormale groei en proliferatie van kankercellen. Het mechanisme begrijpen, of precies hoe ARF werkt, kan van het grootste belang zijn voor een dieper begrip van tumorsuppressie, wat zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in verbeterde therapieën voor patiënten.

Een hypothese met betrekking tot het ARF-mechanisme omvat een proces dat vloeistof-vloeistoffasescheiding wordt genoemd - hetzelfde proces waarbij olie en water worden gescheiden wanneer ze met elkaar worden gemengd. Terwijl de celkern is gevuld met een vloeistofachtige nucleoplasmavloeistof omhuld door een membraan, de nucleolus in de kern heeft zo'n membraanbarrière niet, bestaande in plaats daarvan voornamelijk uit eiwitten en nucleïnezuren die bij elkaar worden gehouden via fasescheiding.

Wanneer nucleofosmine en andere eiwitten of RNA worden geïsoleerd en in oplossing worden gemengd, fasegescheiden druppeltjes worden gevormd. De consistentie van de druppeltjes is vergelijkbaar met de fysiologische omgeving van de nucleolus en biedt een modelsysteem om de interacties tussen nucleofosmine en verschillende eiwitten of RNA's te bestuderen.

In de meeste gevallen, de druppeltjes zijn zeer vloeibaar en vloeistofachtig, waardoor ze samensmelten tot grotere druppels. Maar wanneer nucleofosmine wordt gemengd met ARF, de consistentie is veel gelatineuzer, stijver, die druppelfusie aanzienlijk beperkt.

"Dus, waarom is dat? Is het iets over de organisatie van de nucleofosmine-moleculen? Zorgen verschillende concentraties ARF ervoor dat de nucleofosminemoleculen min of meer mobiel zijn? Staan de nucleofosminemoleculen verder uit elkaar of dichter bij elkaar? Dit zijn dingen die we heel graag willen onderzoeken, " zei Gibbs. "We denken dat het verband houdt met de effecten van ARF op fasescheiding door nucleofosmine - mogelijk wanneer ARF tot overexpressie wordt gebracht, de nucleolus wordt een stijvere structuur omdat de nucleofosmine-moleculen dichter bij elkaar staan."

Neutronen zijn ideale sondes voor het bestuderen van biologische materie vanwege hun neutrale lading, hun niet-destructieve effecten op monsters, en hun gevoeligheid voor lichte elementen zoals waterstof. Ze kunnen worden gebruikt om de maat te meten, vorm, en organisatie van moleculen in een breed scala van omgevingen en omstandigheden die met andere technieken ontoegankelijk zijn.

Met behulp van het EQ-SANS-instrument op de SNS van ORNL, Gibbs was in staat om de moleculaire structuren van veel verschillende monsters met verschillende concentraties ARF en nucleofosmine te analyseren. De experimenten hielpen te bepalen hoe ARF de structurele organisatie van nucleofosminemoleculen in fasegescheiden druppeltjes in de reageerbuis beïnvloedt en nieuwe inzichten verschaffen in hoe ARF ribosoombiogenese in de nucleolus stopt terwijl het tumoren onderdrukt.

"Een van de leuke dingen van neutronen is dat we contrastvariatie kunnen gebruiken waarmee we kunnen schakelen tussen kijken naar alleen de ARF-moleculen, of alleen de nucleofosmine-moleculen, binnen druppeltjes, naast de mogelijkheid om beide tegelijkertijd te bekijken.

"We hebben al enkele interessante kenmerken in de ARF-tumorsuppressor geïdentificeerd. Bijvoorbeeld, het heeft bepaalde hydrofobe motieven, die water afstoten, evenals positief geladen, hydrofiele motieven, die water aantrekken - die beide invloed hebben op hoe ARF zich bindt aan nucleofosmine en druppels vormt door fasescheiding, " zei Gibbs. "Hoe meer we kunnen leren over deze interacties, hoe beter we uitgerust zullen zijn in de strijd tegen kanker."

Kriwacki heeft toegevoegd, "Deze waarnemingen, Voor de eerste keer, laat zien dat ARF, een belangrijk tumorsuppressoreiwit bij de mens, moet worden bekeken door de lens van fasescheiding om de remmende effecten op nucleoli in pre-kankercellen te begrijpen."