Souvent appelés les éléments constitutifs de la vie, les cellules sont complexes et très dynamiques. L'information génétique codée à l'intérieur leur permet de construire des composants biomoléculaires comme des protéines, ADN, et ARN, qui s'assemblent en plus grand, des unités plus complexes, des myriades d'organites aux cellules entières, qui forment à leur tour des tissus qui donnent ensuite naissance à des organismes entiers. La maîtrise des niveaux d'organisation est essentielle à la vie, mais la croissance cellulaire incontrôlée provoque de nombreuses maladies mortelles, y compris le cancer.

Pour étudier ce qui se passe à l'intérieur des cellules lorsqu'elles risquent de devenir cancéreuses, des scientifiques travaillant dans le laboratoire de Richard Kriwacki à l'hôpital de recherche pour enfants St. Jude ont utilisé des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE). L'équipe cherche à mieux comprendre l'état altéré du nucléole - un organite sans membrane à l'intérieur de la cellule - lorsque la cellule est compromise. De nouvelles connaissances sur le comportement cellulaire aux échelles atomique et moléculaire permettront une meilleure détection et un meilleur traitement du cancer sous ses nombreuses formes.

« Depuis plus de 100 ans, on sait que les cellules cancéreuses ont des nucléoles plus gros que les cellules normales. Les nucléoles sont comme des usines à fluides, ou des chaînes d'assemblage pour la production de ribosomes, des enzymes complexes qui relient les acides aminés entre eux pour fabriquer des protéines. Le niveau de production de ribosomes est lié à la vitesse à laquelle la cellule peut se développer, " a déclaré Eric Gibbs, un chercheur postdoctoral travaillant dans le groupe de Kriwacki. « La prévention de la biogenèse incontrôlée des ribosomes est essentielle pour empêcher la propagation, ou la propagation, des cellules cancéreuses dans tout le corps."

Début 2020, avant le début de la pandémie de COVID-19, Gibbs a réalisé des expériences de diffusion de neutrons à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL pour étudier les interactions entre deux protéines nucléolaires, la nucléophosmine et une protéine suppressive de tumeur naturelle appelée cadre de lecture alternatif, ou ARF. Le suppresseur de tumeur ARF est exprimé lorsque les cellules détectent les premiers changements sur le chemin du cancer, un processus appelé stress oncogène.

Selon Gibbs, la nucléophosmine aide à l'assemblage de composants ribosomiques dans le nucléole qui comprennent de multiples protéines et molécules d'ARN. La nucléophosmine agit également comme une escorte pour les particules pré-ribosomiques assemblées pendant leur transport du noyau - l'organite liée à la membrane qui enveloppe le nucléole - vers le cytoplasme à l'extérieur du noyau où toutes les protéines cellulaires sont synthétisées.

"Lorsque les cellules subissent un stress oncogène, le suppresseur de tumeur ARF est surexprimé, ou régulé à la hausse, et arrête la chaîne d'assemblage ribosomique en provoquant le blocage des particules pré-ribosomiques dans le nucléole, stoppant ainsi la production de protéines, " il a dit.

Le suppresseur de tumeur ARF est important, Gibbs a dit, car il fait partie des trois principaux gènes mutés dans presque tous les cancers.

Des études antérieures de St. Jude et d'autres chercheurs ont montré que lorsque le gène ARF était supprimé, la taille du nucléole d'une cellule a augmenté, tout comme le taux d'assemblage des ribosomes. Ils ont découvert que la cellule produirait beaucoup plus de protéines que les cellules saines ne le font normalement, entraînant une croissance et une prolifération anormales des cellules cancéreuses. Comprendre le mécanisme, ou exactement comment fonctionne ARF, pourrait être primordial pour une meilleure compréhension de la suppression tumorale, ce qui pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur l'amélioration des thérapies pour les patients.

Une hypothèse concernant le mécanisme ARF implique un processus appelé séparation de phase liquide-liquide, le même processus par lequel l'huile et l'eau se séparent lorsqu'elles sont mélangées. Alors que le noyau de la cellule est rempli d'un fluide nucléoplasmique liquide enfermé dans une membrane, le nucléole à l'intérieur du noyau n'a pas une telle barrière membranaire, consistant au lieu principalement de protéines et d'acides nucléiques maintenus ensemble par séparation de phases.

Lorsque la nucléophosmine et d'autres protéines ou ARN sont isolés et mélangés en solution, des gouttelettes séparées par des phases se forment. La consistance des gouttelettes est similaire à l'environnement physiologique du nucléole et fournit un système modèle pour étudier les interactions entre la nucléophosmine et différentes protéines ou ARN.

Dans la plupart des cas, les gouttelettes sont très fluides et de type liquide, leur permettant de fusionner en gouttelettes plus grosses. Mais lorsque la nucléophosmine est mélangée à l'ARF, la consistance est beaucoup plus gélatineuse, plus rigide, ce qui limite considérablement la fusion des gouttelettes.

"Donc, pourquoi donc? S'agit-il de l'organisation des molécules de nucléophosmine ? Des concentrations différentes d'ARF rendent-elles plus ou moins mobiles les molécules de nucléophosmine ? Les molécules de nucléophosmine sont-elles plus éloignées ou plus proches les unes des autres ? Ce sont des choses sur lesquelles nous tenons vraiment à enquêter, " a déclaré Gibbs. " Nous pensons que cela est lié aux effets de l'ARF sur la séparation de phase par la nucléophosmine, peut-être lorsque l'ARF est surexprimé, le nucléole devient une structure plus rigide parce que les molécules de nucléophosmine sont plus rapprochées."

Les neutrons sont des sondes idéales pour étudier la matière biologique en raison de leur charge neutre, leurs effets non destructifs sur les échantillons, et leur sensibilité aux éléments légers comme l'hydrogène. Ils peuvent être utilisés pour mesurer la taille, forme, et l'organisation des molécules dans un large éventail d'environnements et de conditions inaccessibles avec d'autres techniques.

En utilisant l'instrument EQ-SANS au SNS de l'ORNL, Gibbs a pu analyser les structures moléculaires de nombreux échantillons différents avec des concentrations variables d'ARF et de nucléophosmine. Les expériences ont permis de déterminer comment l'ARF affecte l'organisation structurelle des molécules de nucléophosmine dans les gouttelettes séparées par des phases dans le tube à essai et de fournir de nouvelles informations sur la façon dont l'ARF arrête la biogenèse des ribosomes dans le nucléole en supprimant les tumeurs.

"L'une des choses intéressantes à propos des neutrons est que nous pouvons utiliser une variation de contraste qui nous permet de basculer entre regarder uniquement les molécules ARF, ou simplement les molécules de nucléophosmine, dans les gouttelettes, en plus de pouvoir regarder les deux en même temps.

« Nous avons déjà identifié certaines caractéristiques intéressantes du suppresseur de tumeur ARF. Par exemple, il a certains motifs hydrophobes, qui repoussent l'eau, ainsi que chargé positivement, motifs hydrophiles, qui attirent l'eau - les deux influencent la façon dont l'ARF se lie à la nucléophosmine et forme des gouttelettes par séparation de phases, " a déclaré Gibbs. " Plus nous en apprendrons sur ces interactions, mieux nous serons équipés pour lutter contre le cancer."

Kriwacki a ajouté, « Ces remarques, pour la première fois, montrer que l'ARF, une protéine suppresseur de tumeur clé chez l'homme, doit être considéré à travers le prisme de la séparation de phases pour comprendre ses effets inhibiteurs sur les nucléoles dans les cellules précancéreuses. »