A menudo llamados los componentes básicos de la vida, las células son complejas y muy dinámicas. La información genética codificada en su interior les permite construir componentes biomoleculares como proteínas, ADN y ARN, que se ensamblan en mayor, unidades más complejas, desde una miríada de orgánulos hasta, en última instancia, células completas, que a su vez forman tejidos que luego dan lugar a organismos completos. El control de los niveles de organización es fundamental para la vida, pero el crecimiento celular descontrolado causa muchas enfermedades mortales, incluido el cáncer.

Para investigar qué sucede dentro de las células cuando corren el riesgo de volverse cancerosas, Los científicos que trabajan en el laboratorio de Richard Kriwacki en el Hospital de Investigación Infantil St. Jude han estado usando neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE). El equipo está buscando comprender mejor el estado alterado del nucleolo, un orgánulo sin membrana dentro de la célula, cuando la célula está comprometida. Los nuevos conocimientos sobre el comportamiento celular a escala atómica y molecular permitirán una mejor detección y tratamiento del cáncer en sus múltiples formas.

"Durante más de 100 años, Se sabe que las células cancerosas tienen nucleolos más grandes que las células normales. Los nucleolos son como fábricas de fluidos, o líneas de ensamblaje para la producción de ribosomas, enzimas complejas que unen los aminoácidos para producir proteínas. El nivel de producción de ribosomas está relacionado con la rapidez con que la célula puede crecer, "dijo Eric Gibbs, investigador postdoctoral que trabaja en el grupo de Kriwacki. "La prevención de la biogénesis de ribosomas incontrolada es fundamental para prevenir la propagación, o la propagación, de las células cancerosas en todo el cuerpo ".

A principios de 2020, antes de que comenzara la pandemia de COVID-19, Gibbs realizó experimentos de dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL para estudiar las interacciones entre dos proteínas nucleolares:nucleofosmina y una proteína supresora de tumores de origen natural llamada marco de lectura alternativo. o ARF. El supresor de tumores ARF se expresa cuando las células detectan los primeros cambios en el camino para volverse cancerosas, un proceso denominado estrés oncogénico.

Según Gibbs, La nucleofosmina ayuda en el ensamblaje de componentes ribosómicos en el nucleolo que incluyen múltiples proteínas y moléculas de ARN. La nucleofosmina también actúa como una escolta para las partículas prerribosomales ensambladas durante su transporte desde el núcleo (el orgánulo unido a la membrana que recubre el nucleolo) hasta el citoplasma fuera del núcleo donde se sintetizan todas las proteínas celulares.

"Cuando las células experimentan estrés oncogénico, el supresor de tumores ARF está sobreexpresado, o regulado al alza, y cierra la línea de ensamblaje ribosomal haciendo que las partículas prerribosómicas se atasquen en el nucleolo, deteniendo así la producción de proteínas, " él dijo.

El supresor de tumores ARF es importante, Gibbs dijo:porque se encuentra entre los tres genes principales que están mutados en casi todos los cánceres.

Estudios previos de St. Jude y otros investigadores encontraron que cuando se eliminó el gen ARF, el tamaño del nucleolo de una célula aumentó, al igual que la tasa de ensamblaje de ribosomas. Descubrieron que la célula produciría significativamente más proteínas de lo que normalmente producen las células sanas. dando como resultado un crecimiento y proliferación anormal de células cancerosas. Entendiendo el mecanismo, o exactamente cómo funciona ARF, podría ser fundamental para una comprensión más profunda de la supresión de tumores, lo que podría conducir a nuevos conocimientos sobre terapias mejoradas para los pacientes.

Una hipótesis con respecto al mecanismo ARF involucra un proceso llamado separación de fase líquido-líquido, el mismo proceso por el cual el aceite y el agua se separan cuando se mezclan. Mientras que el núcleo de la célula está lleno de un líquido de nucleoplasma similar a un líquido recubierto por una membrana, el nucleolo dentro del núcleo no tiene tal barrera de membrana, que consiste, en cambio, principalmente en proteínas y ácidos nucleicos que se mantienen unidos mediante la separación de fases.

Cuando la nucleofosmina y otras proteínas o ARN se aíslan y se mezclan en solución, se forman gotitas separadas por fases. La consistencia de las gotas es similar al entorno fisiológico del nucleolo y proporciona un sistema modelo para estudiar las interacciones entre la nucleofosmina y diferentes proteínas o ARN.

En la mayoría de los casos, las gotas son muy fluidas y parecidas a un líquido, permitiéndoles fusionarse en gotas más grandes. Pero cuando la nucleofosmina se mezcla con ARF, la consistencia es mucho más gelatinosa, mas rígido, lo que restringe significativamente la fusión de gotitas.

"Entonces, ¿porqué es eso? ¿Se trata de la organización de las moléculas de nucleofosmina? ¿Las diferentes concentraciones de ARF hacen que las moléculas de nucleofosmina sean más o menos móviles? ¿Están las moléculas de nucleofosmina más separadas o más juntas? Estas son cosas que nos interesa mucho investigar ", dijo Gibbs." Creemos que está relacionado con los efectos del ARF en la separación de fases por la nucleofosmina, posiblemente cuando el ARF se sobreexpresa, el nucleolo se convierte en una estructura más rígida porque las moléculas de nucleofosmina están más estrechamente espaciadas ".

Los neutrones son sondas ideales para estudiar la materia biológica debido a su carga neutra, sus efectos no destructivos en las muestras, y su sensibilidad a elementos ligeros como el hidrógeno. Se pueden utilizar para medir el tamaño, forma, y organización de moléculas en una amplia gama de entornos y condiciones que son inaccesibles con otras técnicas.

Usando el instrumento EQ-SANS en el SNS de ORNL, Gibbs pudo analizar las estructuras moleculares de muchas muestras diferentes con concentraciones variables de ARF y nucleofosmina. Los experimentos ayudaron a determinar cómo el ARF afecta la organización estructural de las moléculas de nucleofosmina dentro de las gotas de fases separadas en el tubo de ensayo y proporcionaron nuevos conocimientos sobre cómo el ARF detiene la biogénesis del ribosoma en el nucleolo mientras suprime los tumores.

"Una de las cosas interesantes de los neutrones es que podemos usar la variación de contraste que nos permite cambiar entre mirar solo las moléculas ARF, o solo las moléculas de nucleofosmina, dentro de las gotas, además de poder mirar ambos al mismo tiempo.

"Ya hemos identificado algunas características interesantes en el supresor de tumores ARF. Por ejemplo, tiene ciertos motivos hidrofóbicos, que repelen el agua, así como con carga positiva, motivos hidrofílicos, que atraen el agua, los cuales influyen en cómo el ARF se une a la nucleofosmina y forma gotitas a través de la separación de fases, ", dijo Gibbs." Cuanto más podamos aprender sobre estas interacciones, cuanto mejor equipados estaremos para luchar contra el cáncer ".

Kriwacki agregado, "Estas observaciones, por primera vez, demuestre que ARF, una proteína supresora de tumores clave en humanos, necesita ser visto a través del lente de la separación de fases para comprender sus efectos inhibidores sobre los nucléolos en las células precancerosas ".