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."
Le plus beau cadeau que vous ont offert vos parents, ce sont les deux brins de trois millions de lettres d'ADN qui forment votre génome. Mais comme tout ce qui a trois milliards de composants, ce cadeau est fragile. Le soleil, la cigarette, une mauvaise alimentation et même des erreurs involontaires de vos cellules peuvent modifier votre génome. La modification d'ADN la plus fréquente est le simple remplacement d'une lettre, ou base, comme C, par une autre lettre, comme T, G ou A. Chaque jour, les cellules de votre corps vont accumuler toutes ensemble des milliards de changements de lettres, appelés aussi « mutations ponctuelles ».
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 plupart de ces mutations ponctuelles sont inoffensives. Mais de temps en temps, une mutation ponctuelle perturbe une faculté importante d'une cellule ou la conduit à dysfonctionner de façon nocive. Si cette mutation est héritée de vos parents ou se produit très tôt dans votre développement, alors il en résulte que beaucoup ou toutes vos cellules contiennent cette mutation nocive. Et ainsi vous seriez l'une des centaines de millions de personnes avec une maladie génétique comme la drépanocytose, la progéria, la dystrophie musculaire ou la maladie 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."
Les maladies génétiques graves causées par des mutations ponctuelles sont particulièrement frustrantes car on sait souvent que modifier juste une seule lettre à l'origine de la maladie pourrait, en théorie, la guérir. Des millions de gens souffrent de drépanocytose car ils ont une seule mutation ponctuelle du A par un T et les deux copies dans leur gène de l'hémoglobine. Les enfants atteints de progéria naissent avec un T à un endroit précis de leur génome où tous les autres ont un C, ce qui a pour terrible conséquence de faire vieillir très vite ces enfants merveilleusement intelligents qui meurent autour de 14 ans. Depuis que la médecine existe, nous ne pouvions pas corriger efficacement ces mutations ponctuelles dans les systèmes vivants, changer à nouveau le T, à l'origine de la maladie, en C. Jusqu'à maintenant peut-être. Car mon laboratoire a récemment réussi à développer une telle possibilité, qu'on appelle « correction génomique ».
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.
L'histoire de la correction génomique remonte en fait à trois milliards d'années. Nous voyons les bactéries comme des sources d'infection, alors qu'elles ont aussi tendance à être infectées elles-mêmes, notamment par des virus. Il y a environ trois milliards d'années, les bactéries ont développé un mécanisme de défense contre les infections virales. Ce mécanisme défensif est aujourd'hui appelé CRISPR. Et le fer de lance de CRISPR, c'est cette protéine violette qui agit comme des ciseaux à molécules pour couper l'ADN, brisant la double hélice en deux morceaux. Si CRISPR ne pouvait pas distinguer l'ADN viral de l'ADN bactérien, ce ne serait pas un système de défense très utile.
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.
Mais la caractéristique la plus incroyable de CRISPR, c'est que les ciseaux peuvent être programmés pour chercher, relier et couper une séquence d'ADN bien spécifique. Donc, quand une bactérie se retrouve face à un virus pour la première fois, elle peut enregistrer un petit bout de l'ADN de ce virus, l'utiliser comme logiciel pour guider les ciseaux de CRISPR et couper cette séquence de l'ADN viral lors d'une infection future. Couper l'ADN d'un virus perturbe l'activité du gène viral tranché et bouleverse par conséquent le cycle de vie du 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.
De remarquables chercheurs dont Emmanuelle Charpentier, Georges Church, Jennifer Doudna et Feng Zhang ont montré il y a six ans comment les ciseaux de CRISPR peuvent être programmés pour couper des séquences d'ADN de notre choix, y compris des séquences d'ADN de votre génome, au lieu des séquences de l'ADN viral ciblé par la bactérie. Les résultats sont en fait similaires. Couper une séquence d'ADN de votre génome bouleverse aussi l'activité du gène coupé, comme on pouvait s'y attendre, en insérant ou en supprimant des mélanges aléatoires de lettres d'ADN sur la zone découpée.
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.
Dérégler les gènes peut être très utile pour plusieurs fonctions. Pour la majorité des mutations ponctuelles à l'origine de maladies génétiques, couper seulement le gène déjà muté n'apporte pas de bénéfice au patient, car la fonction du gène muté a besoin d'être rétablie et non d'être déréglée davantage. Couper ce gène d'hémoglobine déjà muté à l'origine de la drépanocytose ne rétablira pas la capacité des patients à fabriquer des globules rouges sains. On peut parfois insérer de nouvelles séquences d'ADN dans les cellules pour remplacer les séquences d'ADN autour de la zone découpée, mais ce procédé ne marche malheureusement pas pour la plupart des cellules et les effets du gène déréglé continuent de prédominer.
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.
Comme beaucoup de scientifiques, j'ai rêvé d'un futur où nous pourrions soigner et peut-être même guérir les maladies génétiques humaines. Mais j'ai considéré le manque de moyens pour corriger les mutations ponctuelles, à l'origine de la majorité des maladies génétiques chez l'homme, comme le problème majeur qui y faisait obstacle.
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.
Étant chimiste, j'ai travaillé avec mes étudiants sur comment la chimie peut agir directement sur une seule base d'ADN, pour corriger, plutôt que dérégler, les mutations causant des maladies génétiques. Les résultats de nos efforts sont des nanomachines : les correcteurs génomiques. Les correcteurs génomiques utilisent la fonction « recherche » des ciseaux CRISPR, mais au lieu de couper l'ADN, ils convertissent directement une base en une autre sans perturber le reste du gène. Donc, si vous voyez les protéines CRISPR naturelles comme des ciseaux moléculaires, les correcteurs génomiques sont comme des crayons, capables de réécrire immédiatement une lettre d'ADN en une autre en recombinant les atomes d'une seule base d'ADN pour la faire devenir une base différente.
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.
Les correcteurs génomiques n'existent pas dans la nature. Nous avons conçu le premier correcteur génomique, que vous voyez ici, à partir de trois protéines qui ne proviennent même pas du même organisme. Nous avons d'abord désactivé la faculté de couper l'ADN des ciseaux CRISPR, tout en conservant sa capacité à chercher et à se lier avec une séquence d'ADN cible de façon programmée. Aux ciseaux CRISPR désactivés, ici en bleu, nous avons relié la deuxième protéine en rouge, qui génère une réaction chimique en présence de la base C de l'ADN, la transformant en une base se comportant comme un T. Enfin, nous avons dû associer aux deux premières protéines la protéine en violet, afin d'éviter que la base modifiée ne soit supprimée de la cellule. Le résultat final est une protéine modifiée en trois parties qui permet, pour la première fois, de convertir des bases C en bases T à des emplacements spécifiques du génome.
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.
Mais, même à ce stade, notre travail n'était qu'à moitié terminé. Car, afin que les cellules soient stables, les deux brins d'une double hélice d'ADN doivent former des paires de bases. Et parce que C ne s'associe qu'avec G, et T qu'avec A, modifier seulement un C en T dans un brin d'ADN crée une discordance, une incompatibilité entre les deux brins d'ADN que la cellule doit résoudre en choisissant quel brin remplacer. Nous avons compris que nous pouvions façonner cette protéine en trois parties afin qu'elle identifie le brin non modifié comme celui à remplacer en le marquant. Cette petite marque trompe la cellule pour qu'elle remplace la base G non modifiée par une base A, en recréant le brin marqué, achevant ainsi la conversion de ce qui était une paire de bases C-G en une paire stable de bases 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.
Après des années d'un dur labeur, mené par Alexis Komor, un ancien chercheur postdoctoral du laboratoire, nous avons réussi à développer ce premier correcteur génomique, qui convertit les bases C en T et les bases G en A aux emplacements ciblés par nous. Parmi les plus de 35 000 mutations ponctuelles connues liées à une maladie, les deux types de mutations que ce premier correcteur génomique peut inverser représentent toutes deux 14% soit 5 000 mutations ponctuelles pathogènes. Pour corriger la plupart des mutations ponctuelles causant des maladies, il faudrait développer un deuxième correcteur génomique, qui convertirait les bases A en G et les bases T en C. Sous la direction de Nicole Gaudelli, une ex-chercheuse postdoctorale, nous avons entrepris de créer ce deuxième correcteur génomique pour corriger, en théorie, près de la moitié des mutations pathogènes, dont la mutation causant la progéria, la maladie de vieillissement précoce.
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.
Nous avons compris que nous pouvions utiliser à nouveau le mécanisme de ciblage des ciseaux CRISPR pour attirer ce correcteur génomique vers le bon emplacement dans le génome. Mais nous sommes très vite tombés sur un problème insurmontable : à savoir qu'il n'y a pas de protéine connue pour convertir une base A en G et une base T en C dans l'ADN. Face à un obstacle aussi important, beaucoup d'étudiants auraient cherché un autre projet ou un autre directeur de thèse. (Rires) Mais Nicole a accepté de suivre un plan qui semblait alors follement ambitieux. Étant donné l'absence d'une protéine à l'état naturel qui permettrait à la chimie d'opérer, nous avons décidé de transformer notre propre protéine en laboratoire pour convertir un A en une base qui se comporte comme un G, à partir d'une protéine produisant une réaction chimique similaire sur l'ARN. Nous avons mis en place un système de sélection darwinien qui a exploré des dizaines de millions de variantes de protéines et n'a retenu que ces quelques variantes capables de réaliser la bonne réaction chimique pour survivre. Nous avons abouti à la protéine que vous voyez ici, la première qui peut convertir une base A de l'ADN en une base qui ressemble à un G. En liant cette protéine aux ciseaux CRISPR désactivés, représentés en bleu, nous avons créé le second correcteur génomique qui convertit les bases A en base G et utilise ensuite la même stratégie de marquage de brin, utilisée par le 1er correcteur génomique, afin de tromper la cellule pour qu'elle remplace la base T non modifiée en base C en recréant le brin marqué, achevant ainsi la conversion d'une paire de bases A-T en paire G-C.
(Applause)
(Applaudissements)
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
En tant qu'universitaire américain, je ne suis pas souvent coupé par des applaudissements.
(Laughter)
(Rires)
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.
Nous avons développé ces deux premières classes de correcteurs génomiques il y a respectivement trois ans et un an et demi. Mais dans ce court laps de temps, les chercheurs en biomédecine ont beaucoup utilisé la correction génomique. Nous avons envoyé plus de 6 000 fois des correcteurs génomiques à la demande de plus de 1 000 chercheurs à travers le monde. Une centaine de travaux de recherche scientifique ont déjà été publiés, sur l'usage des correcteurs génomiques sur des organismes allant des bactéries aux plantes, aux souris et aux 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.
Bien qu'ils soient trop récents pour être déjà intégrés dans des essais cliniques sur l'homme, les scientifiques ont franchi une étape cruciale dans cette voie en utilisant des correcteurs génomiques chez les animaux pour corriger des mutations à l'origine de maladies génétiques chez l'homme. Par exemple, une équipe collégiale de scientifiques dirigée par Luke Koblan et Jon Levy, deux autres étudiants de mon laboratoire, a récemment utilisé un virus pour inoculer le deuxième correcteur génomique à une souris atteinte de progéria, transformant la base T, à l'origine de la maladie, en base C, ce qui a corrigé ses effets tant sur l'ADN, que sur l'ARN et les protéines.
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.
Les correcteurs génomiques ont aussi été utilisés sur des animaux pour corriger les effets de la tyrosinémie, de la bêta-thalassémie, de la dystrophie musculaire, de la phénylcétonurie, de la surdité congénitale et d'un type de maladie cardiovasculaire – à chaque fois, en corrigeant directement une mutation ponctuelle à l'origine de la maladie ou y contribuant. On les a utilisés sur des plantes pour introduire des changements spécifiques d'une seule lettre d'ADN afin d'améliorer les récoltes.
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.
Les biologistes y ont eu recours pour examiner le rôle de chaque lettre dans les gènes liés à des maladies comme le cancer. Deux sociétés que j'ai cofondées, Beam Therapeutics et Pairwise Plants, utilisent la correction génomique pour traiter les maladies génétiques humaines et pour améliorer l'agriculture. Ces applications de la correction génomique ont été mises en place dans les trois dernières années : à l'échelle de temps de l'histoire de la science, un clin d’œil.
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.
Il nous reste encore du travail avant que la correction génomique ne livre tout son potentiel pour améliorer la vie des patients atteints de maladies génétiques. Même si on pense que beaucoup de ces maladies sont curables en corrigeant la mutation à la racine d'une fraction, même modeste, de cellules d'un organe, déployer des nanomachines comme les correcteurs génomiques dans les cellules d'un être humain peut s'avérer difficile. Réutiliser des virus de la nature pour déployer des correcteurs génomiques, au lieu des molécules qui vous donnent un rhume, est l'une des nombreuses stratégies prometteuses d'intervention déjà utilisées avec succès. Continuer à développer de nouvelles nanomachines capables d'agir dans les autres cas et de convertir une paire de bases en une autre, en évitant les corrections involontaires à des emplacements non ciblés des cellules, est très important. Et collaborer avec d’autres scientifiques, médecins, éthiciens et administrations pour maximiser les chances que la correction génomique soit bien utilisée, de façon sécurisée et éthique, reste une obligation essentielle.
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.
Malgré ces défis, si vous m'aviez dit, il y a tout juste cinq ans, que des chercheurs du monde entier utiliseraient des nanomachines développées en laboratoire pour convertir directement une seule paire de bases en une autre paire de bases à un emplacement précis du génome humain, efficacement et avec très peu d'autres conséquences, je vous aurais demandé : « Quel roman de science-fiction lisez-vous ? » Grâce à un groupe d'étudiants au dévouement sans faille, assez créatifs pour concevoir ce que nous avions nous-mêmes pu imaginer et assez courageux pour repousser les limites du possible, la correction génomique a transformé ce rêve proche de la science-fiction en une réalité passionnante, dans laquelle le plus beau cadeau que nous offrons à nos enfants ne pourrait pas seulement être trois milliards de lettres d'ADN, mais aussi les moyens de les protéger et de les réparer.
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
Thank you.
Merci.