细胞通常被称为生命的基石，它是复杂且高度动态的。内部编码的遗传信息使他们能够构建生物分子成分，例如蛋白质，DNA和RNA，它们组装成更大，更复杂的单元-从无数的细胞器到最终的整个细胞-依次形成组织，然后形成整个生物体。对组织水平的控制对于生命至关重要，但是不受控制的细胞生长会导致许多致命的疾病，包括癌症。

为了调查当细胞有患癌危险时细胞内部发生的情况，在圣裘德儿童研究医院的Richard Kriwacki实验室工作的科学家一直在能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)使用中子。该小组正在寻求更好地了解当细胞受损时核仁(细胞内无膜细胞器)的改变状态。对原子和分子尺度的细胞行为的新颖见解将使人们能够更好地检测和治疗多种形式的癌症。

“一百多年来，人们已经知道癌细胞比正常细胞具有更大的核仁。核仁就像流体工厂或生产核糖体的装配线，核糖体是将氨基酸连接在一起形成蛋白质的复杂酶。核糖体的产生水平与细胞的生长速度有关。”克里瓦奇(Kriwacki)研究小组的博士后研究员埃里克·吉布斯(Eric Gibbs)说。“防止不受控制的核糖体生物发生对于防止癌细胞在体内的扩散或扩散至关重要。”

2020年初，在大流行开始之前，吉布斯在ORNL的散裂中子源(SNS)上进行了中子散射实验，研究了两种核仁蛋白(核磷蛋白)与天然存在的抑癌蛋白(称为替代阅读框或ARF )之间的相互作用。。当细胞感知到癌变过程中的早期变化时，就会表达ARF肿瘤抑制物，这一过程称为致癌性应激。

根据吉布斯的说法，核磷蛋白有助于核仁中核糖体成分的组装，核糖体成分包括多种蛋白质和RNA分子。核磷脂还可以作为组装的核糖体前颗粒从核(包裹核仁的膜结合细胞器)向核外的细胞质转运的过程中的陪同者，在核中所有细胞蛋白都被合成。

他说：“当细胞遭受致癌性压力时，ARF抑癌剂会过度表达或上调，并通过使核糖体前颗粒卡在核仁中而关闭核糖体装配线，从而停止蛋白质的产生，”他说。

吉布斯说，ARF抑癌剂很重要，因为它是几乎所有癌症中都会突变的前三个基因之一。

St. Jude和其他研究人员先前的研究发现，当ARF基因被删除时，细胞核仁的大小会增加，核糖体装配的速度也会增加。他们发现，与正常细胞相比，该细胞会产生更多的蛋白质，从而导致异常的癌细胞生长和增殖。深入了解肿瘤抑制机制至关重要，了解其机制或确切地说ARF是如何工作的，这可能会为改善患者的治疗方法带来新的见解。

关于ARF机制的一种假设涉及一个称为液相-液相分离的过程，即油和水混合在一起时会分离的过程。尽管细胞核充满了被膜包裹的液体状核质流体，但核内的核仁却没有这种膜屏障，而是主要由通过相分离而结合在一起的蛋白质和核酸组成。

当分离核磷蛋白和其他蛋白质或RNA并在溶液中混合在一起时，会形成相分离的液滴。液滴的稠度类似于核仁的生理环境，并提供了一个模型系统来研究核磷脂与不同蛋白质或RNA之间的相互作用。

在大多数情况下，液滴的流动性和液体性很高，从而使其融合在一起成为更大的液滴。但是，当将核磷蛋白与ARF混合时，其稠度将更加胶凝，更加坚硬，从而显着限制了液滴的融合。

“那么，为什么?这是关于核磷酸酶分子的结构吗?不同浓度的ARF会导致核磷酸酶分子或多或少的活动性吗?核磷酸酶分子之间的距离更远或更近吗?这些是我们正在做的事情。真正热衷于调查。”吉布斯说。“我们认为这与ARF对核磷脂的相分离的影响有关-可能当ARF过表达时，由于核磷脂分子之间的距离更近，核仁变得更加刚性。”

中子由于其中性电荷，对样品的无损影响以及对轻元素(例如氢)的敏感性，因此是研究生物物质的理想探针。它们可用于测量其他技术无法达到的各种环境和条件下分子的大小，形状和组织。

使用ORNL SNS上的EQ-SANS仪器，Gibbs能够分析许多不同样品的分子结构，这些样品具有不同的ARF和核磷脂浓度。这些实验帮助确定了ARF如何影响试管中相分离液滴内核磷蛋白分子的结构组织，并为ARF如何抑制核仁中的核糖体生物发生提供了新的见解。

“关于中子的一件很酷的事情是，我们能够使用对比度变化，它使我们能够在观察液滴内的ARF分子或核磷蛋白分子之间切换，并且能够同时观察两个同时。

“我们已经在ARF抑癌剂中发现了一些有趣的特征。例如，它具有某些疏水基序，这些基序可以排斥水以及带正电荷的亲水基序，这些基序可以吸引水，这两者都会影响ARF与核磷素的结合方式并通过相分离形成液滴。”吉布斯说。“我们对这些相互作用的了解越多，我们在对抗癌症方面的装备就越好。”

Kriwacki补充说：“这些观察结果首次表明，需要通过相分离的角度来观察ARF(人类关键的肿瘤抑制蛋白)，以了解其对癌前细胞中核仁的抑制作用。”