Spesso chiamati i mattoni della vita, le cellule sono complesse e altamente dinamiche. Le informazioni genetiche codificate all'interno consentono loro di costruire componenti biomolecolari come proteine, DNA, e RNA, che si assemblano in più grandi, unità più complesse, da una miriade di organelli a cellule intere, che a loro volta formano tessuti che poi danno origine a interi organismi. Il controllo sui livelli di organizzazione è essenziale per la vita, ma la crescita cellulare incontrollata causa molte malattie mortali, compreso il cancro.

Per indagare su cosa succede all'interno delle cellule quando sono a rischio di diventare cancerose, gli scienziati che lavorano nel laboratorio di Richard Kriwacki al St. Jude Children's Research Hospital hanno utilizzato neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE). Il team sta cercando di capire meglio lo stato alterato del nucleolo, un organello senza membrana all'interno della cellula, quando la cellula è compromessa. Nuovi approfondimenti sul comportamento cellulare su scala atomica e molecolare consentiranno una migliore individuazione e trattamento del cancro nelle sue numerose forme.

"Da oltre 100 anni, è noto che le cellule cancerose hanno nucleoli più grandi delle cellule normali. I nuclei sono come fabbriche di fluidi, o linee di assemblaggio per la produzione di ribosomi, enzimi complessi che uniscono gli amminoacidi per produrre proteine. Il livello di produzione di ribosomi è correlato alla velocità con cui la cellula può crescere, "ha detto Eric Gibbs, un ricercatore post-dottorato che lavora nel gruppo di Kriwacki. "Prevenire la biogenesi incontrollata dei ribosomi è fondamentale per prevenire la propagazione, o la diffusione, di cellule cancerose in tutto il corpo”.

All'inizio del 2020, prima che iniziasse la pandemia di COVID-19, Gibbs ha eseguito esperimenti di diffusione di neutroni presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL per studiare le interazioni tra due proteine ​​nucleolari:la nucleofosmina e una proteina soppressore del tumore naturale chiamata cornice di lettura alternativa, o ARF. Il soppressore del tumore ARF si esprime quando le cellule percepiscono i primi cambiamenti sul percorso per diventare cancerose, un processo chiamato stress oncogeno.

Secondo Gibbs, la nucleofosmina aiuta nell'assemblaggio dei componenti ribosomiali nel nucleolo che includono più proteine ​​​​e molecole di RNA. La nucleofosmina funge anche da scorta per le particelle pre-ribosomiali assemblate durante il loro trasporto dal nucleo, l'organello legato alla membrana che racchiude il nucleolo, al citoplasma esterno al nucleo dove vengono sintetizzate tutte le proteine ​​cellulari.

"Quando le cellule sperimentano lo stress oncogeno, il soppressore del tumore ARF è sovraespresso, o sovraregolato, e spegne la catena di montaggio ribosomiale facendo in modo che le particelle pre-ribosomiali rimangano bloccate nel nucleolo, arrestando così la produzione di proteine, " Egli ha detto.

Il soppressore del tumore ARF è importante, Gibbs ha detto, perché è tra i primi tre geni che sono mutati in quasi tutti i tumori.

Precedenti studi di St. Jude e altri ricercatori hanno scoperto che quando il gene ARF veniva eliminato, la dimensione del nucleolo di una cellula è aumentata, così come la velocità di assemblaggio dei ribosomi. Hanno scoperto che la cellula produrrebbe significativamente più proteine ​​rispetto alle cellule sane normalmente, con conseguente crescita e proliferazione anormali delle cellule tumorali. Comprendere il meccanismo, o esattamente come funziona ARF, potrebbe essere fondamentale per una comprensione più profonda della soppressione del tumore, che potrebbe portare a nuove intuizioni su terapie migliorate per i pazienti.

Un'ipotesi riguardante il meccanismo ARF implica un processo chiamato separazione di fase liquido-liquido, lo stesso processo mediante il quale l'olio e l'acqua si separano quando vengono miscelati insieme. Considerando che il nucleo della cellula è riempito con un fluido nucleoplasmatico simile a un liquido racchiuso da una membrana, il nucleolo all'interno del nucleo non ha tale barriera di membrana, costituito invece principalmente da proteine ​​e acidi nucleici tenuti insieme tramite separazione di fase.

Quando la nucleofosmina e altre proteine ​​o RNA vengono isolati e mescolati insieme in soluzione, si formano goccioline a fase separata. La consistenza delle goccioline è simile all'ambiente fisiologico del nucleolo e fornisce un sistema modello per studiare le interazioni tra nucleofosmina e diverse proteine ​​o RNA.

Nella maggior parte dei casi, le goccioline sono molto fluide e liquide, permettendo loro di fondersi insieme in goccioline più grandi. Ma quando la nucleofosmina è mescolata con ARF, la consistenza è molto più gelatinosa, più rigido, che limita significativamente la fusione delle goccioline.

"Così, perché? Riguarda l'organizzazione delle molecole di nucleofosmina? Le diverse concentrazioni di ARF fanno sì che le molecole di nucleofosmina siano più o meno mobili? Le molecole di nucleofosmina sono più distanti o più vicine tra loro? Queste sono cose su cui vorremmo davvero investigare, " ha detto Gibbs. "Pensiamo che sia correlato agli effetti dell'ARF sulla separazione di fase da parte della nucleofosmina, forse quando l'ARF è sovraespressa, il nucleolo diventa una struttura più rigida perché le molecole di nucleofosmina sono più ravvicinate".

I neutroni sono sonde ideali per studiare la materia biologica a causa della loro carica neutra, i loro effetti non distruttivi sui campioni, e la loro sensibilità agli elementi leggeri come l'idrogeno. Possono essere utilizzati per misurare le dimensioni, forma, e organizzazione delle molecole in una vasta gamma di ambienti e condizioni che sono inaccessibili con altre tecniche.

Utilizzando lo strumento EQ-SANS presso l'SNS di ORNL, Gibbs è stato in grado di analizzare le strutture molecolari di molti campioni diversi con concentrazioni variabili di ARF e nucleofosmina. Gli esperimenti hanno aiutato a determinare come l'ARF influisce sull'organizzazione strutturale delle molecole nucleofosmine all'interno di goccioline separate da fase nella provetta e forniscono nuove informazioni su come l'ARF ferma la biogenesi dei ribosomi nel nucleolo mentre sopprime i tumori.

"Una delle cose interessanti dei neutroni è che siamo in grado di utilizzare la variazione di contrasto che ci consente di passare dall'osservare solo le molecole ARF, o solo le molecole di nucleofosmina, all'interno di goccioline, oltre a poter guardare entrambi allo stesso tempo.

"Abbiamo già identificato alcune caratteristiche interessanti nel soppressore del tumore ARF. Ad esempio, ha alcuni motivi idrofobici, che respingono l'acqua, oltre a carica positiva, motivi idrofili, che attraggono l'acqua, entrambi i quali influenzano il modo in cui l'ARF si lega alla nucleofosmina e forma goccioline attraverso la separazione di fase, " ha detto Gibbs. "Più possiamo imparare su queste interazioni, meglio saremo attrezzati per combattere il cancro".

Kriwacki ha aggiunto, "Queste osservazioni, per la prima volta, dimostrare che ARF, una proteina soppressore del tumore chiave nell'uomo, deve essere visto attraverso la lente della separazione di fase per comprendere i suoi effetti inibitori sui nucleoli nelle cellule precancerose".