• coesina
• cohesin
• deregolazione espressione genica
• drug-resistant epilepsy
• epilessia farmaco-resistente
• gene expression dysregulation
• RNA-sequencing
• sequenziamento RNA
• SMC1A

La coesina è un complesso multiproteico altamente conservato. Il core è costituito da quattro subunità: SMC1A, SMC3, RAD21 e STAG, le quali si associano a formare una struttura ad anello che circonda il DNA. L’attività di questo complesso è regolata da numerose proteine che mediano il suo caricamento sul DNA, la stabilizzazione e la dissociazione, nelle corrette tempistiche e modalità, in base alle fasi del ciclo cellulare.
La prima funzione, attribuita a questo complesso, è la coesione tra i cromatidi fratelli e il suo mantenimento fino alla fase di segregazione, per garantire una corretta divisione cellulare. Tuttavia, numerose prove sperimentali indicano che interviene in altri processi cellulari molto importanti, quali: regolazione dell’espressione genica, riparazione del danno al DNA e mantenimento della stabilità genomica.
Difetti nelle funzionalità del complesso causano alcune patologie umane, che complessivamente prendono il nome di “coesinopatie”. La sindrome di Cornelia de Lange (CdLS) è la più frequente tra queste. È una patologia genetica rara con un’incidenza compresa tra 1:10000 e 1:30000 individui. I pazienti sono caratterizzati da tratti somatici tipici, problemi nella crescita e nello sviluppo, ritardo cognitivo, irsutismo, difetti a livello degli arti superiori e al sistema viscerale e gastrointestinale. L’ 80% dei pazienti presenta mutazioni a livello del gene NIPBL, che codifica per una proteina responsabile del caricamento della coesina sulla cromatina. Il 5% presenta mutazioni nel gene SMC1A e circa il 6% in SMC3, RAD21 e HDAC8, che causano un quadro clinico più lieve rispetto alle mutazioni NIPBL. Le mutazioni a livello di SMC1A, nei pazienti CdLS, sono di tipo missenso o piccole delezioni in-frame, che mantengono la cornice di lettura del gene. Il gene SMC1A mappa sul cromosoma Xp11.22-Xp11.21, in una regione che sfugge all’inattivazione del cromosoma X. L’osservazione che le mutazioni causano un cambiamento aminoacidico, ha suggerito che variazioni che portano alla formazione di una proteina tronca siano incompatibili con la vita, soprattutto nei maschi che hanno una sola copia del gene.
Grazie alle moderne tecniche di sequenziamento del DNA, sono state identificate varianti di SMC1A in pazienti, di sesso femminile, che non presentano le caratteristiche fenotipiche della CdLS. In particolare, presso l’Istituto di Tecnologie Biomediche del Consiglio Nazionale della Ricerca (CNR) di Pisa, in cui ho effettuato la mia esperienza di laboratorio, sono stati raccolti i campioni biologici di 11 pazienti con mutazioni nonsenso e frame-shift nel gene SMC1A, che intaccano la cornice di lettura di SMC1A, con la produzione di una proteina tronca. A livello clinico il fenotipo è differente dalla CdLS. Infatti, sono caratterizzati da epilessia farmaco-resistente, delineando un fenotipo più simile alla sindrome di Rett, con encefalopatia epilettica. Si tratta di una sindrome ultra-rara con appena 60 casi identificati in tutto il mondo, tutti a carico di pazienti di sesso femminile.
Il mio lavoro è stato incentrato sull’analisi trascrittomica delle cellule derivanti dalle pazienti epilettiche (cellule EP), confrontandole sia con cellule di controllo che con cellule CdLS con mutazioni missenso nel gene SMC1A. È stata utilizzata la tecnica di sequenziamento dell’RNA (RNA-sequencing), una delle tecnologie NGS (Next Generation Sequencing). Dall’analisi dei risultati è stata evidenziata, nelle cellule EP, la deregolazione dell’espressione genica, con pathway che riguardano la regolazione dell’espressione genica, lo sviluppo, la differenziazione e la migrazione neuronale.
Questo tipo di studio potrà aiutare a comprendere le basi molecolari della malattia e identificare eventuali target terapeutici che potrebbero migliorare le condizioni cliniche delle pazienti.

Cohesin is a highly conserved multiprotein complex. The core consists of four subunits: SMC1A, SMC3, RAD21 and STAG, which are associated to form a ring structure that surrounds the DNA. The activity of this complex is regulated by numerous proteins that mediate its loading on DNA, stabilization and dissociation, according to the phases of the cell cycle.
The first function of this complex is the cohesion between sister chromatids and its maintenance up to the segregation phase, to ensure proper cell division. However, experimental evidence indicates that it intervenes in other very important cellular processes, such as: regulation of gene expression, repair of DNA damage and maintenance of genomic stability.
Mutation in the cohesin complex are associated with human rare diseases, collectively called "cohesinopathies". Cornelia de Lange syndrome (CdLS) is the most frequent among these. It is a rare genetic disorder with an incidence between 1:10000 and 1:30000 individuals. Patients are characterized by typical somatic traits, problems in growth and development, cognitive retardation, hirsutism, defects in the upper limbs and in the visceral and gastrointestinal system. 80% of patients have mutations in the NIPBL gene, which encodes a protein responsible for loading of cohesin. Mutations in SMC1A gene have been identified in 5% of patients and about 6% have mutations in SMC3, RAD21 and HDAC8, which cause a milder phenotype than NIPBL mutations. SMC1A mutations are missense or small in-frame deletions, which maintain the gene’s reading frame. The SMC1A gene maps on the Xp11.22-Xp11.21 chromosome, in a region that partially escapes inactivation of the X chromosome. The observation that mutations cause amino acid change, suggested that variations leading to the formation of a truncated protein are incompatible with life, especially in males who have only one copy of the gene.
Thanks to modern DNA sequencing techniques, variants of SMC1A have been identified in female patients who do not have the phenotypic characteristics of CdLS. In particular, at the Institute of Biomedical Technologies of the National Research Council (CNR) in Pisa, where I carried out my laboratory experience, have been collected biological samples of 11 patients with nonsense and frame-shift mutations in the SMC1A gene, which affects the reading frame of the gene, with the production of a truncated protein. The phenotype is clinically different from the CdLS. In fact, they are characterized by drug-resistant epilepsy, delineating a phenotype more similar to Rett syndrome, with epileptic encephalopathy. It is an ultra-rare syndrome with just 60 identified cases worldwide, all female.
My work has been focused on transcriptomic analysis of cells derived from epileptic patients (EP cells), comparing them with both control cells and CdLS cells with missense mutations in the SMC1A gene. The RNA sequencing technique (RNA-sequencing), one of the Next Generation Sequencing (NGS) technologies, was used. Analysis of the results showed, in EP cells, gene expression dysregulation and pathways concern the regulation of gene expression, development, differentiation and neuronal migration.
This study will help to understand the molecular basis of the disease and identify any therapeutic targets that could improve the clinical condition of patients.