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."
O agasallo máis importante que os nosos pais nos deron nunca son os dous grupos de tres mil millóns de letras de ADN que conforman o noso xenoma. Pero coma todo aquilo con tres mil millóns de partes, ese agasallo é fráxil. A luz solar, fumar, unha alimentación pouco saudable, mesmo erros espontáneos cometidos polas nosas células, provocan cambios no noso xenoma. A alteración máis común que se dá no ADN é o simple cambio dunha letra ou base, por exemplo C, por unha letra diferente, coma T, G ou A. Cada día, as células do noso corpo acumulan de forma colectiva miles de millóns de cambios dunha única letra, denominados "mutacións puntuais".
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.
A maioría destas mutacións puntuais son inofensivas. Mais de cando en cando, unha mutación puntual pode alterar unha función importante nunha célula ou facer que unha célula actúe de maneira nociva. Se esta mutación a herdamos dos nosos pais ou ocorre nunha etapa temperá do noso desenvolvemento, acabaría resultando que moitas ou todas as nosas células terían esta mutación prexudicial. Pois daquela seriamos unha deses centos de millóns de persoas cunha enfermidade xenética, como a anemia falciforme, a proxeria, a distrofia muscular ou a enfermidade 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."
Estas graves enfermidades xenéticas causadas por mutacións puntuais son especialmente frustrantes, xa que moitas veces coñecemos o cambio de letra exacto que causa a enfermidade e, en teoría, poderiamos curala. Millóns de persoas padecen anemia falciforme por presentaren unha mutación puntual de A a T en ambas as copias do xene da hemoglobina. E os nenos con proxeria nacen cun T nunha única posición no seu xenoma onde deberían ter un C, con consecuencias devastadoras para estes marabillosos e brillantes nenos que envellecen de forma moi acelerada e falecen arredor dos 14 anos. Ao longo da historia da medicina nunca tivemos unha forma eficiente de corrixir mutacións puntuais en seres vivos, como para volver cambiar ese T, causante da enfermidade, por un C. Se cadra ata agora. Porque no meu laboratorio hai pouco que conseguimos desenvolver esa capacidade, que chamamos "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.
A historia de como desenvolvemos a edición de bases remóntase a hai uns 3.000 millóns de anos. Concibimos as bacterias coma focos de infección, mais as propias bacterias tamén son propensas a seren infectadas, especialmente por virus. Así que hai uns 3.000 mil millóns de anos, as bacterias desenvolveron un mecanismo para combater as infeccións virais. Ese mecanismo de defensa é hoxe coñecido como CRISPR. E a parte esencial do CRISPR é esta proteína violeta que actúa coma unhas tesoiras moleculares, cortando o ADN e rompendo a dobre hélice en dúas partes. Se o CRISPR non puidese distinguir entre ADN bacteriano e viral, non sería un sistema de defensa moi 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 a característica máis asombrosa do CRISPR é que as tesoiras poden programarse para buscar, unirse e cortar unicamente unha secuencia específica do ADN. Así, cando unha bacteria encontra un virus por primeira vez, pode almacenar un pequeno fragmento do ADN dese virus, para usalo despois como un programa para dirixir as tesoiras CRISPR e cortar esa secuencia do ADN viral nunha infección futura. Cortar o ADN do virus estraga a función do xene viral cortado, e interrompe consecuentemente o ciclo de vida do 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 e Feng Zhang demostraron hai seis anos que se poden programar as tesoiras xenéticas CRISPR para cortar secuencias de ADN seleccionadas por nós, mesmo secuencias do noso xenoma, no canto das secuencias de ADN viral escollidas polas bacterias. Mais os resultados son, en efecto, similares. Cortar as secuencias de ADN do noso xenoma tamén afecta a función do xene cortado, ao causar a inserción e eliminación de mesturas aleatorias de letras de ADN no lugar do 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.
Alterar os xenes pode ser moi útil para algunhas aplicacións. Mais para a maioría das mutacións puntuais que causan enfermidades xenéticas, só cortar o xene xa mutado non beneficia os pacientes, xa que hai que restaurar a función do xene mutado, non alterala máis aínda. Así, cortar o xene xa mutado da hemoglobina que causa a anemia falciforme non restaura a capacidade do paciente de xerar glóbulos vermellos sans. E se ben en ocasións podemos introducir novas secuencias de ADN nas células para substituír as secuencias de ADN que rodean o sitio do corte, ese proceso, desafortunadamente, non funciona na maioría dos tipos de células, e os efectos do xene alterado continúan predominando.
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.
Coma moitos científicos, eu soño cun futuro no que sexamos quen de tratar e, se cadra, mesmo curar as enfermidades xenéticas humanas. Pero considero que a falta dun método para arranxar as mutacións puntuais causantes da maioría de enfermidades xenéticas é un gran atranco que hai que 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 químico, comecei a traballar co meu alumnado para idear formas directas de experimentar quimicament nunha base individual do ADN para arranxar, en vez de alterar, as mutacións que causan doenzas xenéticas. O resultado do noso traballo son máquinas moleculares chamadas "editores de bases". Os editores de bases usan os mecanismos programables de busca das tesoiras CRISPR, mais no canto de cortar o ADN, converten directamente unha base noutra sen alterar o resto do xene. Se concibimos as proteínas naturais das CRISPR coma tesoiras moleculares, podemos considerar os editores de bases como lapis capaces de substituír unha letra de ADN por outra ao reorganizar os átomos dunha base de ADN e convertela así nunha 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.
Os editores de bases non existen na natureza. De feito, creamos o primeiro editor de bases, mostrado aquí, a partir de tres proteínas que nin sequera proveñen do mesmo organismo. Comezamos por coller as tesoiras CRISPR e desactivarlles a capacidade de cortar ADN pero manténdolles a capacidade de buscar e de unirse a secuencias específicas de ADN de forma programable. Ás tesoiras CRISPR desactivadas, que se ven en azul, unímoslles unha segunda proteína, en vermello, que produce unha reacción química na base C do ADN e a converte nunha base que se comporta coma T. Terceiro, tivemos que unirlles ás dúas primeiras proteínas a proteína de cor violeta que protexe a base editada e evita que sexa eliminada pola célula. O resultado é unha proteína artificial de tres partes que por primeira vez nos permite converter C en T en lugares específicos do xenoma.
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 neste punto, o noso traballo aínda estaba a medias, xa que para poderen permanecer estables nas células, as dúas cadeas de dobre hélice do ADN deben formar pares de bases. E como C soamente se emparella con G e T só se une a A, cambiar simplemente C por T nunha cadea de ADN crea unha disparidade, unha incongruencia entre as dúas cadeas de ADN que a célula debe resolver decidindo que cadea substituír. Decatámonos de que podiamos modificar máis aínda esta proteína de tres partes para que esta marcase a cadea non editada coma a que debe ser substituída facéndolle una pequena incisión. Esta pequena incisión engana a célula para que cambie o G non editado por un A mentres refai a cadea marcada, completando así a conversión do que era 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.
Despois de anos de duro traballo dirixido polo antigo posdoutorado do laboratorio, Alexis Komor, conseguimos desenvolver esta primeira clase de editor de bases que converte C en T e G en A en posicións específicas da nosa elección. Entre as máis de 35.000 mutacións puntuais coñecidas asociadas a enfermidades, os dous tipos de mutacións que este editor de bases pode reverter corresponden, entre ambos, a cerca do 14% ou 5.000 mutacións puntuais patóxenas. Pero para corrixir a maioría das mutacións puntuais causantes de enfermidades necesitariamos desenvolver unha segunda clase de editor de bases capaz de converter A en G ou T en C. Con Nicole Gaudelli á cabeza, que foi posdoutorada do laboratorio, dispuxémonos a desenvolver este segundo editor de bases que, en teoría, podería corrixir case a metade das mutacións puntuais patóxenas, mesmo a mutación que causa a enfermidade do envellecemento acelerado, a proxeria.
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 podiamos empregar, unha vez máis, os mecanismos de busca das tesoiras CRISPR para dirixir o novo editor de bases cara ao lugar indicado no xenoma. Pero rapidamente nos atopamos cun gran problema: non se coñece ningunha proteína que converta A en G nin T en C no ADN. Ao enfrontarse a un escollo tan grave, moitos estudantes seguramente buscarían outro proxecto e se cadra ata outro director. (Risas) Pero Nicole decidiu proceder cun plan que daquela parecía extremadamente ambicioso. Dada a inexistencia dunha proteína natural que realizase o proceso químico necesario, acordamos desenvolver a nosa propia proteína no laboratorio para converter A nunha base que se comportase como G, a partir dunha proteína que produce un proceso químico similar no ARN. Montamos un sistema darwiniano de selección de supervivencia do máis apto que explorou decenas de millóns de variantes proteicas e só permitiu a supervivencia das variantes capaces de realizar os procesos químicos necesarios. O resultado foi unha proteína, mostrada aquí, a primeira capaz de converter o A do ADN nunha base que se asemella ao G. E ao anexarmos esta proteína ás tesoiras CRISPR deshabilitadas, mostradas en azul, producimos o segundo editor de bases que converte A en G e que usa a mesma estratexia de efectuar unha incisión na cadea que usamos co primeiro editor de bases para enganar a célula e facer que substitúa o T non editado por un C mentres refai esa cadea marcada, completando así a conversión dun par A-T nun par G-C.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Grazas.
(Applause)
(Aplausos)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Como científico e académico nos EE.UU, non adoito ser interrompido 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.
Desenvolvemos estas primeiras dúas clases de editores de bases hai tan só tres anos e un ano e medio. Mais incluso nese breve período, a edición de bases popularizouse entre a comunidade de investigación biomédica Os editores de bases enviáronse máis de 6.000 veces por petición de máis de 1.000 investigadores en todo o mundo. Xa hai máis de cen artigos de investigación científica publicados nos que se usan editores de bases en diferentes organismos, desde bacterias, a plantas, ratos e 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.
Se ben os editores de bases son demasiado recentes para formaren parte de ensaios clínicos humanos, os científicos están a realizar avances decisivos nesa dirección ao usaren editores de bases en animais para corrixir mutacións puntuais que causan enfermidades xenéticas humanas. Por exemplo, un equipo colaborativo de científicos dirixido por Luke Koblan e Jon Levy, outros dous estudantes do meu laboratorio, empregaron recentemente un virus para inserir o segundo editor de bases nun rato con proxeria, cambiando así o T causante da enfermidade por un C e revertendo as consecuencias a nivel do ADN, ARN e das proteínas.
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.
Os editores de bases tamén se usaron en animais para reverter as consecuencias da tirosinemia, a talasemia beta, a distrofia muscular, a fenilcetonuria, un tipo de xordeira conxénita e un tipo de enfermidade cardiovascular. En todos os casos, fíxose corrixindo directamente a mutación puntual que causa ou contribúe á enfermidade. En plantas, os editores de bases usáronse para introducir cambios nunha letra individual do ADN e así conseguir mellores 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.
E biólogos usaron editores de bases para investigar o papel das letras individuais en xenes asociados a enfermidades coma o cancro. Dúas empresas que cofundei, Beam Therapeutics e Pairwise Plants, usan actualmente a edición de bases para tratar enfermidades xenéticas humanas e para mellorar a agricultura. Todas estas aplicacións da edición de bases desenvolvéronse en menos de tres anos. Na escala temporal da ciencia, iso é un abrir e pechar de ollos.
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.
Aínda queda moito traballo para que a edición de bases alcance o seu máximo potencial para mellorar a vida dos pacientes con enfermidades xenéticas. Malia crer que moitas destas enfermidades poden tratarse corrixindo a mutación subxacente en polo menos unha pequena fracción das células dun órgano, introducir máquinas moleculares coma os editores de bases en células humanas pode ser todo un reto. Facer uso dos virus naturais para inserir editores de bases no lugar das moléculas que causan o catarro é unha das varias estratexias prometedoras que se están a empregar con éxito. Continuar desenvolvendo novas máquinas moleculares que consigan realizar o resto de formas de conversión de pares de bases, e que minimicen as edicións non desexadas noutros lugares das células é moi importante. E colaborar con outros científicos, doutores, eticistas e gobernos para garantir que a edición de bases se aplique de maneira reflexiva, segura e ética, continúa sendo unha obrigación elemental.
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 destes retos, se me dixeran hai tan só cinco anos que investigadores de todo o mundo empregarían máquinas moleculares desenvolvidas en laboratorios para converter de forma directa un par de bases noutro par en lugares específicos do xenoma humano de forma eficiente e con efectos secundarios mínimos, preguntaríalles: "Que novela de ciencia ficción están lendo?" Grazas a un dedicado e incansable grupo de estudantes que foron tan creativos que puideron construír o que nós deseñamos e tan valentes que puideron desenvolver o que nós non fomos quen, a edición de bases comezou a transformar esa aspiración de ciencia ficción nunha emocionante realidade, onde o agasallo máis importante que lles pasamos aos nosos fillos pode que non sexan só os 3.000 millóns de letras de ADN, senón tamén os medios para protexelas e arranxalas.
Thank you.
Grazas.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.