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."
Az anyjuktól és apjuktól kapott legfontosabb ajándék a DNS hárommilliárd betűből álló két készlete, amelyet genomnak hívunk. De mint minden, ami hárommilliárd részből áll, ez az ajándék is sérülékeny. Napfény, dohányzás, egészségtelen táplálkozás, sőt még spontán génhibák is genomunk módosulását okozzák. A leggyakoribb génmódosulás az egyszerű betű vagy bázis cseréje, pl. a C betűé más betűvel, pl. a T, G vagy A betűvel. Nap mint nap testünk sejtjei együttesen milliárdnyi egybetűs cserét halmoznak föl: ezek az ún. pontmutációk.
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.
E pontmutációk zöme veszélytelen. De hébe-hóba egy-egy pontmutáció a sejt fontos képességét rombolja szét, vagy a sejt veszélyes működését váltja ki. Ha a mutációt szüleinktől örököltük, vagy igen korai fejlődésünk idején alakult ki, annak eredménye, hogy sok vagy minden sejtünk tartalmazza e veszélyes mutációt. Akkor önök lesznek a százmilliónyi génbeteg ember egyike. Ilyen pl. a sarlósejtes anémia vagy a progéria vagy az izomsorvadás vagy a Tay–Sachs-kór.
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."
A pontmutáció okozta súlyos genetikai betegségek különösen nyomasztók, mert gyakran tudjuk, hogy a kórt épp melyik betű okozza, és elvileg melyikkel gyógyítható. Milliók szenvednek sarlósejtes anémiában, mert egyetlen A betű T-be mutálódott hemoglobingénjük mindkét példányában. A progériás gyerekek a genom egy pontjában lévő T-nukleotiddal születnek, ahol pedig C-nek kellene lennie, és a következmények oly szörnyűk, hogy e csodás, éles eszű gyerekek igen gyorsan öregszenek, és kb. 14 éves korukra meghalnak. A gyógyítás története során nem alakult ki hatékony módszerünk a pontmutáció élő szervezetekben való kijavítására, hogy a betegséget okozó T-t C-vé változtassuk. Tán csak mostanáig. Mert laboromnak nemrég sikerült az ún. bázisszerkesztési módszert kidolgoznia.
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 bázisszerkesztés története voltaképp hárommilliárd éve kezdődött. Baktériumokra fertőzésforrásokként gondolunk, ám a baktériumok maguk is fertőzésre hajlamosak. Konkrétan, vírusokkal. Kb. hárommilliárd éve vírusfertőzés elleni védelmi mechanizmust fejlesztettek ki. E védelmi mechanizmus inkább CRISPR néven ismeretes. A CRISPR robbanófeje a bíbor fehérje, amely molekuláris DNS-vágó ollóként működik, mert a kettős csavarvonalat kettévágja. Ha a CRISPR nem képes különbséget tenni a baktérium és a vírus DNS-e között, a védelmi rendszer nemigen hasznos.
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.
Ám a CRISPR legcsodásabb tulajdonsága, hogy az olló úgy programozható, hogy csak egyedi DNS-szekvenciát keressen, vágjon, és csak hozzá kötődjön. Amikor először találkozik a baktérium a vírussal, képes a vírus egy DNS-darabkáját elrakni, hogy programként használja a CRISPR-olló irányítására a vírus DNS-szekvenciájának kivágására a következő fertőzéskor. Ha belevág a vírus DNS-ébe, azzal megzavarja a vírusgén működését, és ezzel összeomlasztja a vírus életciklusát.
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.
Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna és Feng Zhang neves kutatók hat éve mutatták ki a CRISPR-ollók programozási módszerét a kellő DNS-szekvencia kivágására, beleértve a humán genomot, és nem csak a baktérium választotta vírusok DNS-szekvenciáit. De az eredmények hasonlók. Genomunk DNS-szekvenciájának kivágása is általában összeomlasztja a megvágott gén működését, mert DNS-betűk véletlenszerű elegyének beillesztését és törlését okozza a megvágott helyen.
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.
A gének tönkretétele egyes alkalmazásoknál igen hasznos lehet. Ám a genetikai kórokat okozó legtöbb pontmutációnál a már mutálódott gén puszta kivágása a páciensnek nem jelent megoldást, mert a mutálódott gén működését még helyre is kell állítani, nem pedig tovább rongálni. Ezért a sarlósejtes anémiát okozó, már mutálódott hemoglobingén megvágásától nem áll helyre a páciens vörösvérsejt-képző képessége. Noha új DNS-szekvenciákat néha be tudunk juttatni a sejtekbe, a megvágott helyet körülvevő DNS-szekvenciák helyére, de sajnos, a folyamat a legtöbb sejtfajtánál nem működik, és a roncsolt gén hatása továbbra is érvényesül.
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.
Sok tudóshoz hasonlóan én is oly jövőről álmodoztam, amelyben kezelhetjük vagy tán meg is gyógyíthatjuk a humán genetikai kórokat. De láttam, hogy hiányzik a pontmutáció kijavítási módszere; e mutáció okozza a humán genetikai kórok zömét. Ez a fő akadály.
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.
Vegyész lévén diákjaimmal nekiláttunk közvetlenül egy-egy DNS-bázisra ható vegyi módszerek kifejlesztésének, hogy a kórokozó mutáció inkább ki legyen javítva, semmint elroncsolva. Igyekezetünk eredménye: az ún. bázisszerkesztő molekuláris gép. Ezek a CRISPR-olló programozható keresőmechanizmusát használják, de a DNS vágása helyett az egyik bázist közvetlenül másikká változtatják át a gén többi részének károsítása nélkül. Ha a természetes CRISPR-fehérjéket molekuláris ollóknak fogjuk föl, akkor a bázisszerkesztők ceruzának tekinthetők, amelyek egy-egy DNS-betűt közvetlenül másikká írnak át. Ehhez a DNS-bázis atomjait más bázissá rendezik át.
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.
Bázisszerkesztők a természetben nem léteznek. Itt látható az első mesterséges bázisszerkesztőnk, amelyet három fehérjéből állítottunk elő, amelyek még csak nem is egy szervezetből származnak. A CRISPR-olló DNS-vágási képességének kikapcsolásával kezdtük, de meghagytuk a képességét, hogy programozottan keressen és kapcsoljon össze célba vett DNS-szekvenciákat. A kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz a pirossal jelölt másik fehérjét kapcsoltuk, amely a C DNS-bázison vegyi reakciót hajt végre, ezzel azt T-viselkedésű bázissá alakítja. Harmadszor, még hozzá kellett adnunk az első két fehérjéhez a lilával jelölt harmadikat, amely a szerkesztett bázist megóvja attól, hogy a sejt eltávolítsa. Az eredmény a háromrészes fehérje, amely elsőként teszi lehetővé a genom meghatározott helyén lévő C átalakítását T-vé.
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.
De elvégzendő munkánknak ez csak a fele. Mert ahhoz, hogy a sejtekben rögzüljenek, a DNS kettős csigavonalának két szálát bázispároknak kell összekötniük. Mivel a C-hez csak a G kapcsolódhat, és a T-hez pedig csak az A, ha a C-t csupán T-vé módosítjuk az egyik DNS-szálban, az zavart, összeférhetetlenséget okoz a két DNS-szál között, amelyet a sejtnek kéne megoldania, eldöntve: melyik szálat helyettesítse. Rájöttünk, hogy még tovább is javíthatjuk e háromrészes fehérjét, ha bevágással cserélendőnek jelöljük meg a szerkesztetlen szálat. E kis vágás becsapja a sejtet: engedi a szerkesztetlen G A-ra cserélését a megvágott szál átalakítása révén. Ezzel befejeződik a korábbi C–G pár stabil T–A párrá való átalakítása.
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.
Több évi szorgalmas munka után, amelyet Alexis Komor volt PhD-kutató vezetett, sikerült eme első fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztése, amely C-t T-vé és G-t A-vá alakít át tetszésünk szerinti helyen. 35 000 kórokozó pontmutáció közül kétféle mutációt képes eme első bázisszerkesztő visszaalakítani, ez összesen 5 000 kórokozó mutáció, azaz kb. 14%-uk. A kórokozó pontmutációk zömének kijavításához a bázisszerkesztők másik fajtáját kell kifejlesztenünk, amely az A-t G-vé és T-t C-vé képes alakítani. Nicole Gaudelli volt PhD-kutató vezetésével hozzáfogtunk e másik fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztéséhez, amely elvileg a kórokozó pontmutációk majdnem felét képes kijavítani, beleértve a gyors öregedést okozó kór, a progéria mutációját is.
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.
Rájöttünk, hogy utánozhatjuk a CRISPR-olló célzó mechanizmusát, hogy az új bázisszerkesztőt a genom kellő helyére juttassuk be. De hamarosan meglepő nehézséggel találtuk szemben magunkat, nevezetesen, hogy nincs ismert fehérje, amely az A-t G-vé vagy a T-t C-vé változtatná a DNS-ben. Ilyen komoly buktató láttán a legtöbb diák nyilván más projekt, sőt más konzulens után nézne. (Nevetés) De Nicole a terv folytatása mellett döntött, ami abban az időben igencsak nagyralátónak tűnt. A szükséges vegyi folyamatot végrehajtó természetes fehérje hiányát tudomásul véve úgy döntöttünk, hogy laborunkban állítjuk elő a fehérjénket az A módosítására G-ként viselkedő bázissá. A vegyi folyamatot RNS-en végrehajtó fehérjével kezdtük. Az "erősebb túlélése darwini szelekciós rendszert" választottuk, amely több tucat millió fehérjeváltozatot eredményezett, és csak azokat a ritka változatokat engedte tovább, amelyekben túlélésükhöz kellő vegyi folyamat végbement. Hozzájutottunk az itt látható fehérjéhez, amely elsőként képes a DNS-ben az A-t a G-re hasonlító bázissá változtatni. Amikor ezt a fehérjét hozzákapcsoltuk a kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz, azzal létrehoztuk az A-t G-vé alakító másik fajtájú bázisszerkesztőt. Az pedig ugyanazt a megvágottszál-technikát alkalmazza, melyet az első bázisszerkesztő, hogy kicselezze a sejtet a szerkesztetlen T helyettesítésére C-vel, a megvágott szál átalakítása révén. Ezzel megvalósul az A–T bázispár átváltoztatása a G–C bázispárrá.
(Applause)
(Taps)
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Az USA kutatójaként nem szoktam hozzá, hogy tapssal szakítsanak félbe.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Az első két fajtájú bázisszerkesztőt csak három éve, illetve másfél éve fejlesztettük ki. De már e rövid idő alatt is a bázisszerkesztést széles körben használják orvosbiológiai kutatók. Több mint hatezerszer küldtünk a világ minden tájára bázisszerkesztőket több mint 1 000 kutató kérésére. Már száz tudományos közlemény jelent meg e tárgyban, amelyek a bázisszerkesztők alkalmazásáról számoltak be baktériumoktól kezdve növényeken és egereken át főemlősökig.
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.
Noha a bázisszerkesztők még túl újak, hogy humán klinikai kísérletekben bevezessék őket, a tudósoknak sikerült fontos lépést tenniük e cél érdekében: állatokban használtak bázisszerkesztőket humán genetikai kórokat okozó pontmutációk kijavítására. Például a laboromban kutató Luke Koblan és Jon Levy diákjaim vezette egyik munkacsoport nemrég vírust használt a másik fajtájú bázisszerkesztő bejuttatásához progériás egerekbe, s ezzel a kórokozó T-t C-vé változtatta vissza, így DNS-, RNS- és fehérjeszinten is elhárította a kór következményeit.
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.
Bázisszerkesztőket alkalmaznak állatokban tirozinémia, béta-talasszémia, izomsorvadás, fenilketonuria, veleszületett süketség és bizonyos szív-érrendszeri betegség következményeinek elhárítására, minden esetben közvetlenül kijavítva a betegségokozó vagy ahhoz hozzájáruló pontmutációkat. Bázisszerkesztőket alkalmaznak növényekben egyedi DNS-betűcserékre, amelyek jobb terméshez vezethetnek.
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.
Biológusok bázisszerkesztőket alkalmaznak egyes betűk szerepének tisztázására a rákkal és más kórokkal kapcsolatba hozható génekben. A Beam Therapeutics és Pairwise Plants cégek, melyek társalapítója vagyok, bázisszerkesztést használnak humán genetikai kórok kezelésére és a mezőgazdaság fejlesztésére. Az összes bázisszerkesztési megoldást legfeljebb három éve alkalmazzák: ez a tudománytörténeti skálán szempillantásnyi idő.
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.
További munka vár még ránk mielőtt a bázisszerkesztés teljesen kifejtené a hatását a genetikai betegséggel küzdő páciensek életminőségének javításában. Noha sok ilyen kórt gyógyíthatónak tartunk a kérdéses mutáció kijavításával, még sejtek csekély töredéke esetén is molekuláris gépek, pl. bázisszerkesztők bejuttatása emberi lények sejtjeibe komoly kihívás lehet. Természetes vírusok segítségül hívása bázisszerkesztők bevitelére náthát okozó molekulák helyett a számos ígéretes beviteli módszer egyike, melyet már sikeresen alkalmaznak. Új molekuláris gépek további fejlesztése, amelyek egyik bázispárt másik bázispárrá változtatnak, és a minimumra csökkentik a szükségtelen szerkesztést a sejt egyéb részein, igen fontos feladat. Fontos kötelezettségünk együttműködnünk más tudósokkal, orvosokkal, etikusokkal és kormányszervekkel, hogy a bázisszerkesztést a legnagyobb mértékben megfontoltan, biztonságosan és erkölcsösen alkalmazzuk.
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.
Ha csupán öt éve azt mondták volna, hogy a világ kutatói majd laborban fejlesztett molekuláris gépeket használnak egy-egy bázispár másik bázispárrá való hatékony, minimális mellékhatású közvetlen módosítására a humán genom bizonyos helyén, megkérdeztem volna: "Melyik fantasztikus regényt olvassa?". Kérlelhetetlenül eltökélt diákcsoportunknak köszönhetően, amely elég ötletes volt, hogy véghezvigye, amit magunk megtervezhettünk, és eléggé merész, hogy kifejlessze, amit magunk nem, a bázisszerkesztés a sci-fi-szerű vágyakozásból létező valósággá kezdett válni, amelyben a gyermekeinknek adott legfontosabb ajándék nemcsak a hárommilliárd betű lehet, hanem a betűk védelme és kijavítása is.
Thank you.
Köszönöm szépen.
(Applause)
(Taps)
Thank you.
Köszönöm.