The most important gift your mother and father ever gave you was the two sets of three billion letters of DNA that make up your genome. But like anything with three billion components, that gift is fragile. Sunlight, smoking, unhealthy eating, even spontaneous mistakes made by your cells, all cause changes to your genome. The most common kind of change in DNA is the simple swap of one letter, or base, such as C, with a different letter, such as T, G or A. In any day, the cells in your body will collectively accumulate billions of these single-letter swaps, which are also called "point mutations."
El legado más importante que nuestros padres nos dejan consiste en dos grupos de tres mil millones de letras de ADN que conforman el genoma. Pero como todo aquello que tenga tres mil millones de componentes, es frágil. La luz solar, el cigarrillo, la alimentación poco saludable, incluso los errores espontáneos de las células, todo esto provoca cambios en el genoma. La alteración más común que se da en el ADN es el sencillo cambio de una letra o base, por ejemplo una C, por una letra diferente, como una T, una G o una A. A diario, las células del cuerpo acumulan de forma colectiva miles de millones de estos cambios de una única letra, también denominados "mutaciones puntuales".
Now, most of these point mutations are harmless. But every now and then, a point mutation disrupts an important capability in a cell or causes a cell to misbehave in harmful ways. If that mutation were inherited from your parents or occurred early enough in your development, then the result would be that many or all of your cells contain this harmful mutation. And then you would be one of hundreds of millions of people with a genetic disease, such as sickle cell anemia or progeria or muscular dystrophy or Tay-Sachs disease.
La mayoría de estas mutaciones puntuales son inofensivas. Pero en ocasiones una mutación puntual puede desestabilizar una función importante de las células o hacer que una célula actúe de manera perjudicial. Si esta mutación se hereda de los padres u ocurre tempranamente en el desarrollo, esto tendría como resultado que muchas o todas las células tengan esta mutación perjudicial. Serían entonces uno de los cientos de millones de personas que padecen una enfermedad genética, como la anemia falciforme, la progeria, la distrofia muscular o la enfermedad de Tay-Sachs.
Grievous genetic diseases caused by point mutations are especially frustrating, because we often know the exact single-letter change that causes the disease and, in theory, could cure the disease. Millions suffer from sickle cell anemia because they have a single A to T point mutations in both copies of their hemoglobin gene. And children with progeria are born with a T at a single position in their genome where you have a C, with the devastating consequence that these wonderful, bright kids age very rapidly and pass away by about age 14. Throughout the history of medicine, we have not had a way to efficiently correct point mutations in living systems, to change that disease-causing T back into a C. Perhaps until now. Because my laboratory recently succeeded in developing such a capability, which we call "base editing."
Las enfermedades genéticas producidas por mutaciones puntuales son especialmente frustrantes, ya que a menudo conocemos el cambio de letra que causa la enfermedad y, en teoría, podría curar la enfermedad. Millones de personas padecen anemia falciforme porque presentan una mutación puntual de A por T en ambas copias del gen de la hemoglobina. Y los niños con progeria nacen con una T en una posición única en su genoma donde deberían tener una C, y esto tiene consecuencias devastadoras para estos maravillosos niños que envejecen de forma acelerada y fallecen aproximadamente a los 14 años. A pesar del desarrollo de la medicina, no hemos encontrado una manera eficiente de corregir estas mutaciones puntuales en los seres vivos, es decir, cómo cambiar esa T que causa la enfermedad por una C. Quizá hasta ahora. Porque en mi laboratorio recientemente se consiguió desarrollar esa habilidad, que llamamos "edición de bases".
The story of how we developed base editing actually begins three billion years ago. We think of bacteria as sources of infection, but bacteria themselves are also prone to being infected, in particular, by viruses. So about three billion years ago, bacteria evolved a defense mechanism to fight viral infection. That defense mechanism is now better known as CRISPR. And the warhead in CRISPR is this purple protein that acts like molecular scissors to cut DNA, breaking the double helix into two pieces. If CRISPR couldn't distinguish between bacterial and viral DNA, it wouldn't be a very useful defense system.
La historia de cómo desarrollamos la edición de bases se remonta a unos tres mil millones de años atrás. Consideramos que las bacterias son focos de infección, pero las bacterias mismas son propensas a infecciones, en especial virales. Así hace unos tres mil millones de años, las bacterias desarrollaron un mecanismo para combatir las infecciones virales. Ese mecanismo de defensa es hoy mejor conocido como CRISPR. Y lo esencial de CRISPR es esta proteína púrpura que actúa como unas tijeras moleculares que cortan el ADN y rompen la doble hélice en dos. Si CRISPR no pudiera distinguir entre ADN bacteriano y viral, no sería un sistema de defensa muy útil.
But the most amazing feature of CRISPR is that the scissors can be programmed to search for, bind to and cut only a specific DNA sequence. So when a bacterium encounters a virus for the first time, it can store a small snippet of that virus's DNA for use as a program to direct the CRISPR scissors to cut that viral DNA sequence during a future infection. Cutting a virus's DNA messes up the function of the cut viral gene, and therefore disrupts the virus's life cycle.
Pero la característica más asombrosa de CRISPR es que las tijeras pueden programarse para buscar, unirse y cortar únicamente una secuencia específica del ADN. Así cuando una bacteria encuentra un virus por primera vez, puede almacenar un pequeño fragmento del ADN de ese virus, que usará luego como programa para dirigir las tijeras CRISPR y cortar la secuencia del ADN viral durante una infección futura. Cortar el ADN del virus estropea la función del gen viral cortado, y afecta consecuentemente el ciclo de vida del virus.
Remarkable researchers including Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna and Feng Zhang showed six years ago how CRISPR scissors could be programmed to cut DNA sequences of our choosing, including sequences in your genome, instead of the viral DNA sequences chosen by bacteria. But the outcomes are actually similar. Cutting a DNA sequence in your genome also disrupts the function of the cut gene, typically, by causing the insertion and deletion of random mixtures of DNA letters at the cut site.
Investigadores destacados como Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna y Feng Zhang mostraron hace seis años cómo las tijeras genéticas CRISPR podían programarse para cortar secuencias de ADN seleccionadas por nosotros, incluso secuencias del genoma, en lugar de las secuencias de ADN viral escogidas por las bacterias. Pero los resultados son, en efecto, similares. Cortar las secuencias de ADN del genoma también afecta la función del gen cortado, al causar la inserción y eliminación de mezclas aleatorias de letras de ADN en el lugar donde se hace el corte.
Now, disrupting genes can be very useful for some applications. But for most point mutations that cause genetic diseases, simply cutting the already-mutated gene won't benefit patients, because the function of the mutated gene needs to be restored, not further disrupted. So cutting this already-mutated hemoglobin gene that causes sickle cell anemia won't restore the ability of patients to make healthy red blood cells. And while we can sometimes introduce new DNA sequences into cells to replace the DNA sequences surrounding a cut site, that process, unfortunately, doesn't work in most types of cells, and the disrupted gene outcomes still predominate.
Desestabilizar los genes puede ser muy útil para algunas aplicaciones. Pero para la mayor parte de las mutaciones puntuales que causan enfermedades genéticas, simplemente cortar el gen ya mutado no beneficia al paciente, porque se necesita restaurar la función del gen mutado, no desestabilizarla aún más. Así que cortar el gen ya mutado de la hemoglobina que causa la anemia falciforme no restaura la habilidad del paciente de generar glóbulos rojos sanos. Y si bien en ocasiones podemos introducir a las células nuevas secuencias de ADN que reemplacen las secuencias de ADN circundantes al sitio del corte, ese proceso, desafortunadamente, no funciona con la mayoría de los tipos de células, y continúan predominando los genes modificados.
Like many scientists, I've dreamed of a future in which we might be able to treat or maybe even cure human genetic diseases. But I saw the lack of a way to fix point mutations, which cause most human genetic diseases, as a major problem standing in the way.
Al igual que muchos científicos, sueño con un futuro en el que seamos capaces de tratar y quizá hasta curar las enfermedades genéticas humanas. Pero identifiqué la falta de un método para arreglar las mutaciones puntuales causantes de la mayor parte de enfermedades genéticas como un problema importante a superar.
Being a chemist, I began working with my students to develop ways on performing chemistry directly on an individual DNA base, to truly fix, rather than disrupt, the mutations that cause genetic diseases. The results of our efforts are molecular machines called "base editors." Base editors use the programmable searching mechanism of CRISPR scissors, but instead of cutting the DNA, they directly convert one base to another base without disrupting the rest of the gene. So if you think of naturally occurring CRISPR proteins as molecular scissors, you can think of base editors as pencils, capable of directly rewriting one DNA letter into another by actually rearranging the atoms of one DNA base to instead become a different base.
Como soy químico, comencé a trabajar con mis alumnos para idear formas de aplicar la química directamente a una base individual del ADN y arreglar las mutaciones que causan la enfermedad genética, en lugar de desestabilizarlas. El resultado de nuestro trabajo es una máquina molecular llamada "editor de bases". Los editores de bases usan los mecanismos programables de búsqueda de las tijeras CRISPR, pero en lugar de cortar el ADN, directamente convierten una base en otra sin desestabilizar el resto del gen. Si consideramos a las proteínas naturales de CRISPR como tijeras moleculares, podemos considerar a los editores de bases como lápices capaces de reemplazar una letra de ADN por otra al reacomodar los átomos de una base de ADN y volverla así una base diferente.
Now, base editors don't exist in nature. In fact, we engineered the first base editor, shown here, from three separate proteins that don't even come from the same organism. We started by taking CRISPR scissors and disabling the ability to cut DNA while retaining its ability to search for and bind a target DNA sequence in a programmed manner. To those disabled CRISPR scissors, shown in blue, we attached a second protein in red, which performs a chemical reaction on the DNA base C, converting it into a base that behaves like T. Third, we had to attach to the first two proteins the protein shown in purple, which protects the edited base from being removed by the cell. The net result is an engineered three-part protein that for the first time allows us to convert Cs into Ts at specified locations in the genome.
Los editores de bases no existen en la naturaleza. De hecho, creamos el primer editor de bases, que ven aquí, a partir de tres proteínas separadas que ni siquiera provienen del mismo organismo. Comenzamos por suprimir la habilidad de las tijeras CRISPR de cortar ADN pero mantuvimos la habilidad de buscar y unirse a secuencias específicas de ADN de forma programada. A las tijeras CRISPR deshabilitadas, que se ven en azul, les adjuntamos una segunda proteína, que se ve en rojo y que produce una reacción química en la base C del ADN y la convierte en una base que se comporta como T. Tercero, debimos adjuntar a las primeras dos proteínas la proteína púrpura, que evita que la base editada sea eliminada por la célula. El resultado es una proteína artificial de tres partes que por primera vez nos permite convertir las C en T en lugares específicos del genoma.
But even at this point, our work was only half done. Because in order to be stable in cells, the two strands of a DNA double helix have to form base pairs. And because C only pairs with G, and T only pairs with A, simply changing a C to a T on one DNA strand creates a mismatch, a disagreement between the two DNA strands that the cell has to resolve by deciding which strand to replace. We realized that we could further engineer this three-part protein to flag the nonedited strand as the one to be replaced by nicking that strand. This little nick tricks the cell into replacing the nonedited G with an A as it remakes the nicked strand, thereby completing the conversion of what used to be a C-G base pair into a stable T-A base pair.
Pero incluso en esta etapa, esto es sólo la mitad del trabajo. Ya que para poder permanecer estable en las células, las dos cadenas de la hélice doble del ADN deben formar pares de bases. Y como la C solamente se une a la G y la T solo a la A, el sólo cambiar una C por una T en una cadena de ADN crea una incompatibilidad, una incongruencia entre las dos cadenas de ADN que la célula debe resolver decidiendo qué cadena reemplazar. Descubrimos que podíamos modificar más aún la proteína de tres partes para que ésta señalase la cadena no editada como la que debe reemplazarse haciéndole una incisión. Esto engaña a la célula para que reemplace la G no editada por una A a la vez que rehace la cadena marcada, completando así la conversión de lo que solía ser un par C-G por un par estable T-A.
After several years of hard work led by a former post doc in the lab, Alexis Komor, we succeeded in developing this first class of base editor, which converts Cs into Ts and Gs into As at targeted positions of our choosing. Among the more than 35,000 known disease-associated point mutations, the two kinds of mutations that this first base editor can reverse collectively account for about 14 percent or 5,000 or so pathogenic point mutations. But correcting the largest fraction of disease-causing point mutations would require developing a second class of base editor, one that could convert As into Gs or Ts into Cs. Led by Nicole Gaudelli, a former post doc in the lab, we set out to develop this second class of base editor, which, in theory, could correct up to almost half of pathogenic point mutations, including that mutation that causes the rapid-aging disease progeria.
Luego de varios años de arduo trabajo a cargo del posdoctor del laboratorio, Alexis Komor, conseguimos desarrollar el primer editor de bases capaz de convertir la C en T y la G en A en posiciones específicas que escogemos. Entre las más de 35 000 mutaciones puntuales conocidas, las primeras dos mutaciones que este editor de bases puede revertir corresponden aproximadamente al 14 % o 5000 mutaciones puntuales patógenas. Pero para corregir la mayor parte de las mutaciones puntuales que causan enfermedades necesitaríamos desarrollar una segunda clase de editor de bases capaz de convertir las A en G y las T en C. Con Nicole Gaudelli a la cabeza, otra posdoctora del laboratorio, nos dispusimos a desarrollar este segundo editor de bases que, en teoría, podría corregir casi la mitad de las mutaciones puntuales patógenas, incluso la mutación que causa la enfermedad del envejecimiento acelerado, la progeria.
We realized that we could borrow, once again, the targeting mechanism of CRISPR scissors to bring the new base editor to the right site in a genome. But we quickly encountered an incredible problem; namely, there is no protein that's known to convert A into G or T into C in DNA. Faced with such a serious stumbling block, most students would probably look for another project, if not another research advisor. (Laughter) But Nicole agreed to proceed with a plan that seemed wildly ambitious at the time. Given the absence of a naturally occurring protein that performs the necessary chemistry, we decided we would evolve our own protein in the laboratory to convert A into a base that behaves like G, starting from a protein that performs related chemistry on RNA. We set up a Darwinian survival-of-the-fittest selection system that explored tens of millions of protein variants and only allowed those rare variants that could perform the necessary chemistry to survive. We ended up with a protein shown here, the first that can convert A in DNA into a base that resembles G. And when we attached that protein to the disabled CRISPR scissors, shown in blue, we produced the second base editor, which converts As into Gs, and then uses the same strand-nicking strategy that we used in the first base editor to trick the cell into replacing the nonedited T with a C as it remakes that nicked strand, thereby completing the conversion of an A-T base pair to a G-C base pair.
Descubrimos que podíamos emplear, una vez más, los mecanismos de búsqueda de las tijeras CRISPR para conducir al nuevo editor de bases hacia el lugar indicado en el genoma. Pero rápidamente nos topamos con un gran problema: no se conoce ninguna proteína que convierta las A en G ni las T en C en el ADN. Al enfrentarse a semejante obstáculo, la mayoría de los posdoctorandos buscaría otro proyecto, y quizá hasta otro asesor. (Risas) Pero Nicole decidió continuar con el plan que parecía muy ambicioso en ese momento. Dada la inexistencia de una proteína natural que lleve a cabo los procesos químicos necesarios, decidimos que crearíamos nuestra propia proteína en el laboratorio que fuera capaz de convertir la A en una base que se comporte como la G, y que comenzaríamos con una proteína que tiene una química similar en el ARN. Montamos un sistema de selección darwiniano de supervivencia del más apto para explorar decenas de millones de variantes proteicas, sistema que sólo permite la supervivencia de las variantes raras capaces de llevar a cabo los procesos químicos necesarios. El resultado fue esta proteína, la primera capaz de convertir la A del ADN en una base que se asemeja a la G. Y al anexar esta proteína a las tijeras CRISPR deshabilitadas, que se ven en azul, produjimos el segundo editor de bases capaz de convertir las A en G y que usa la misma estrategia de efectuar una incisión en la cadena que usamos con el primer editor de bases para engañar a la célula y hacer que reemplace la T no editada por una C a la vez que rehace esa cadena cortada, completando así la conversión de un par A-T en un par G-C.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Como científico y académico estadounidense, no estoy acostumbrado a ser interrumpido por aplausos.
(Laughter)
(Risas)
We developed these first two classes of base editors only three years ago and one and a half years ago. But even in that short time, base editing has become widely used by the biomedical research community. Base editors have been sent more than 6,000 times at the request of more than 1,000 researchers around the globe. A hundred scientific research papers have been published already, using base editors in organisms ranging from bacteria to plants to mice to primates.
Desarrollamos estas primeras dos clases de editores de bases hace tan sólo tres años y un año y medio. Pero incluso en ese breve periodo, la edición de bases se ha vuelto muy popular en la comunidad de investigación biomédica. Se han enviado editores de bases más de 6000 veces a distintos lugares del mundo por pedido de más de 1000 investigadores. Ya se han publicado cientos de artículos de investigación científica en los que se usan editores de bases en organismos como bacterias, plantas, ratones y primates.
While base editors are too new to have already entered human clinical trials, scientists have succeeded in achieving a critical milestone towards that goal by using base editors in animals to correct point mutations that cause human genetic diseases. For example, a collaborative team of scientists led by Luke Koblan and Jon Levy, two additional students in my lab, recently used a virus to deliver that second base editor into a mouse with progeria, changing that disease-causing T back into a C and reversing its consequences at the DNA, RNA and protein levels.
Si bien los editores de bases son muy novedosos y no se han empleado en ensayos clínicos humanos, los científicos han realizado avances fundamentales en esa dirección al usar editores de bases en animales para corregir mutaciones puntuales que causan enfermedades genéticas humanas. Por ejemplo, un equipo de científicos a cargo de Luke Koblan y Jon Levy, otros dos estudiantes en mi laboratorio, emplearon recientemente un virus para insertar ese segundo editor de bases a un ratón con progeria. Así cambiaron la T causante de la enfermedad por una C y revirtieron las consecuencias a nivel del ADN, ARN y proteico.
Base editors have also been used in animals to reverse the consequence of tyrosinemia, beta thalassemia, muscular dystrophy, phenylketonuria, a congenital deafness and a type of cardiovascular disease -- in each case, by directly correcting a point mutation that causes or contributes to the disease. In plants, base editors have been used to introduce individual single DNA letter changes that could lead to better crops.
También se han usado los editores de bases en animales para revertir las consecuencias de la tirosinemia, la beta talasemia, la distrofia muscular, la fenilcetonuria, un tipo de sordera congénita y un tipo de enfermedad cardiovascular, en cada caso, al corregir directamente una mutación puntual que causa la enfermedad o contribuye a ella. Los editores de bases se han usado en plantas para introducir cambios en una letra individual del ADN y así conseguir mejores cultivos.
And biologists have used base editors to probe the role of individual letters in genes associated with diseases such as cancer. Two companies I cofounded, Beam Therapeutics and Pairwise Plants, are using base editing to treat human genetic diseases and to improve agriculture. All of these applications of base editing have taken place in less than the past three years: on the historical timescale of science, the blink of an eye.
Y los biólogos han usado los editores de bases para indagar en la función de las letras individuales en genes asociados a enfermedades como el cáncer. Dos empresas que cofundé, "Beam Therapeutics" y "Pairwise Plants", usan actualmente la edición de bases para tratar enfermedades genéticas humanas y para mejorar la agricultura. Todas estas aplicaciones de la edición de bases se han desarrollado en menos de tres años. En la línea histórica de la ciencia, eso es un abrir y cerrar de ojos.
Additional work lies ahead before base editing can realize its full potential to improve the lives of patients with genetic diseases. While many of these diseases are thought to be treatable by correcting the underlying mutation in even a modest fraction of cells in an organ, delivering molecular machines like base editors into cells in a human being can be challenging. Co-opting nature's viruses to deliver base editors instead of the molecules that give you a cold is one of several promising delivery strategies that's been successfully used. Continuing to develop new molecular machines that can make all of the remaining ways to convert one base pair to another base pair and that minimize unwanted editing at off-target locations in cells is very important. And engaging with other scientists, doctors, ethicists and governments to maximize the likelihood that base editing is applied thoughtfully, safely and ethically, remains a critical obligation.
Aún queda trabajo por realizar antes de que la edición de bases alcance su máximo potencial y consiga mejorar la vida de los pacientes con enfermedades genéticas. Si bien se estima que muchas de estas enfermedades pueden tratarse al corregir la mutación subyacente en al menos una pequeña fracción de las células de un órgano, introducir máquinas moleculares como los editores de bases a las células humanas puede ser un gran desafío. Usar los virus naturales para insertar los editores de bases en lugar de las moléculas que provocan un resfrío es una de las varias estrategias prometedoras que se han empleado exitosamente. Continuar con el desarrollo de nuevas máquinas moleculares capaces de realizar todas las conversiones de bases restantes, de un par a otro, y de minimizar las ediciones no deseadas en otros lugares de las células es muy importante. Y colaborar con otros científicos, doctores, eticistas y gobiernos para garantizar que la edición de bases se aplique de forma concienzuda, segura y ética sigue siendo una obligación vital.
These challenges notwithstanding, if you had told me even just five years ago that researchers around the globe would be using laboratory-evolved molecular machines to directly convert an individual base pair to another base pair at a specified location in the human genome efficiently and with a minimum of other outcomes, I would have asked you, "What science-fiction novel are you reading?" Thanks to a relentlessly dedicated group of students who were creative enough to engineer what we could design ourselves and brave enough to evolve what we couldn't, base editing has begun to transform that science-fiction-like aspiration into an exciting new reality, one in which the most important gift we give our children may not only be three billion letters of DNA, but also the means to protect and repair them.
A pesar de todo esto, si hace tan sólo cinco años me hubiesen dicho que investigadores de todo el mundo emplearían máquinas moleculares desarrolladas en laboratorios para convertir de forma directa un par de bases en un par diferente en lugares específicos del genoma humano de forma eficiente y con efectos secundarios mínimos, les hubiera preguntado: "¿Qué novela de ciencia ficción están leyendo?". Gracias a un dedicado e incansable grupo de estudiantes que fueron tan creativos que pudieron construir lo que nosotros diseñamos y tan valientes que pudieron desarrollar lo que nosotros no, la edición de bases ha comenzado a transformar esa aspiración de ciencia ficción en una emocionante realidad en la que el legado más importante que pasamos a nuestros hijos puede no ser sólo tres mil millones de letras de ADN, sino también los medios para protegerlas y repararlas.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Gracias.