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."
Il dono più importante che i vostri genitori vi abbiano mai fatto sono le due coppie di tre miliardi di codice del DNA che formano il vostro genoma. Ma come qualsiasi cosa formata da tre miliardi di componenti è un dono molto fragile. Il sole, il fumo, il cibo non sano, anche gli errori naturali che fanno le vostre cellule, tutto questo provoca cambiamenti al genoma. Il cambiamento più comune del DNA è la semplice inversione di una lettera, o base, come la C, con un'altra lettera, come la T, G o A. Ogni giorno le cellule del vostro corpo effettuano miliardi di questi scambi di lettere chiamati "mutazioni puntiformi".
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 maggior parte di queste mutazioni sono benigne. Ma ogni tanto, una mutazione puntiforme interrompe una funzione importante di una cellula o causa un comportamento anomalo della cellula stessa. Se la mutazione vi è stata tramandata dai vostri genitori o è avvenuta nella fase iniziale del vostro sviluppo, il risultato è che molte o tutte le vostre cellule conterranno questo mutamento maligno. E voi sareste una delle centinaia di milioni di persone con una malattia genetica, come l'anemia falciforme o la progeria, o la distrofia muscolare, o la malattia di 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."
Queste gravissime malattie genetiche causate da mutazioni puntiformi sono particolarmente frustranti, perché spesso sappiamo qual è esattamente la modifica della lettera che causa la malattia e che, in teoria, potrebbe curarla. Milioni di persone soffrono di anemia falciforme perché hanno una sola mutazione puntiforme da A a T nelle loro coppie di geni di emoglobina. I bambini affetti da progeria sono nati con una T in una precisa posizione del loro genoma dove dovrebbe trovarsi una lettera C, con la conseguenza devastante che questi ragazzi incredibili e brillanti invecchiano molto rapidamente e muoiono verso i 14 anni. Nella storia della medicina non abbiamo mai avuto modo di correggere le mutazioni puntiformi in sistemi viventi, per variare la lettera da T, causa della malattia, in C. Fino ad ora, forse. Infatti il mio laboratorio recentemente è riuscito a sviluppare questa capacità che noi chiamiamo "editing di basi".
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 storia di come abbiamo sviluppato l'editing di basi di fatto inizia tre miliardi di anni fa. Consideriamo i batteri come fonte di infezioni, ma anche gli stessi batteri vengono infettati, in particolare dai virus. Per cui circa tre miliardi di anni fa, i batteri hanno sviluppato un meccanismo di difesa per combattere le infezioni. Quel meccanismo di difesa è meglio conosciuto come CRISPR. La testata del CRISPR è questa proteina in viola che agisce come forbice molecolare per tagliare il DNA, rompendo in due la doppia elica del DNA. Se il CRISPR non riuscisse a distinguere tra DNA di batteri e di virus non sarebbe un sistema di difesa efficace.
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.
Ma la funzionalità più incredibile del CRISPR è che le forbici possono essere programmate per cercare, legarsi e tagliare soltanto una specifica sequenza di DNA. Così quando un batterio incontra un virus per la prima volta, può conservare un piccolo frammento di DNA di quel virus usandolo per programmare le forbici del CRISPR a tagliare quella sequenza di DNA in caso di infezione. Tagliare il DNA del virus danneggia le funzioni del gene virale stesso e interrompe di conseguenza il ciclo vitale 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.
Ricercatori importanti quali Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna e Feng Zhang sei anni fa hanno dimostrato come le forbici CRISPR possono essere programmate per tagliare le sequenze di DNA da noi selezionate, comprese le sequenze del vostro genoma, al posto delle sequenze del DNA del virus selezionate dai batteri. I risultati sono del tutto simili. Anche tagliare una sequenza di DNA del vostro genoma interrompe la funzione del gene tagliato, generalmente, causando l'inserimento o la cancellazione di lettere di DNA a caso nel punto del taglio.
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.
Ora, interrompere i geni può essere molto utile in alcune applicazioni. Ma per molte mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche, il solo tagliare un gene già mutato, non aiuta i malati, perché la funzione del gene mutato deve essere ripristinata, non interrotta ulteriormente. Per cui, tagliare questo gene di emoglobina già mutato che causa l'anemia falciforme, non ripristina la capacità dei pazienti di generare cellule sanguigne sane. Anche se a volte riusciamo a introdurre nuove sequenze di DNA nelle cellule per ripristinare le sequenze di DNA attorno ad un taglio, questo processo, sfortunatamente, non funziona in molti tipi di cellule, e il gene modificato torna a prendere il sopravvento.
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.
Come molti scienziati, ho sognato un futuro in cui saremo in grado di trattare o persino curare le malattie genetiche dell'uomo. Ma credo che la mancanza di soluzioni per le mutazioni puntiformi, che causano la maggior parte di malattie genetiche, ed è uno dei maggiori ostacoli da superare.
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.
Essendo un chimico, ho cominciato a lavorare con i miei studenti per trovare modi di trasformare chimicamente le basi del DNA, per aggiustare, più che interrompere, le mutazioni che causano malattie genetici. I risultati dei nostri sforzi sono macchine molecolari chiamate "editor di basi". Gli editor di basi usano il meccanismo programmabile delle forbici CRISPR, ma al posto di tagliare il DNA, trasformano direttamente una base in un'altra base senza interrompere il resto del gene. Quindi, se pensate alle proteine CRISPR che agiscono come forbici molecolari, potete pensare agli editor di basi come matite, capaci di riscrivere direttamente una lettera di DNA sull'altra di fatto riorganizzando gli atomi della base di DNA invece di trasformarli in una base diversa.
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.
Bene, gli editor di basi non esistono in natura. In effetti, abbiamo progettato il primo editor di basi, qui in foto, con tre proteine diverse che non provengono nemmeno dallo stesso organismo. Abbiamo iniziato con le forbici CRISPR e disabilitato la capacità di tagliare DNA e mantenendo intatta la capacità di ricercare e legare a una specifica sequenza di DNA in maniera programmata. Alle forbici CRISPR disabilitate, in blu, abbiamo legato una seconda proteina, in rosso, che attua una reazione chimica sul DNA di base C, modificandolo con una base che agisce come T. Terzo, abbiamo dovuto legare alle due proteine la proteina mostrata in viola, che protegge la base modificata dall'essere eliminata dalla cellula. Il risultato è una proteina ingegnerizzata a tre componenti che , per la prima volta ci permette di convertire le C in T in punti specifici 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.
Ma anche a questo punto, il nostro lavoro era solo a metà strada. Perché, per essere stabile nelle cellule, i due filamenti di DNA a doppia elica devono formare coppie di basi. E, dal momento che le C si accoppiano unicamente con le G, e le T si accoppiano con le A, cambiare semplicemente le C con le T su un filamento di DNA crea sfasamento, un'incongruenza tra i due filamenti di DNA che le cellule devono risolvere decidendo quale filamento sostituire. Abbiamo capito che era possibile modificare ulteriormente questa proteina a tre per marcare il filamento non modificato per la sostituzione sottraendogli il filamento. Questo piccolo trucco inganna la cellula che rimpiazza la G non modificata con una A ricostruendo il filamento, e completando la conversione definitiva di quella che era una base C-G in una coppia T-A stabile.
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.
Dopo molti anni di duro lavoro, diretto da uno dei post-doc del laboratorio, Alexis Comor, siamo riusciti a sviluppare il primo gruppo di editor di basi, che convertono le C in T e le G in A in punti specifici a nostra scelta. Tra le oltre 35.000 malattie conosciute, associate a mutazione puntiforme, i due tipi di mutazione che questo primo tipo di editor di basi può modificare ne raggruppa circa il 14 per cento, ovvero circa 5.000 mutazioni patogene. Ma correggere la maggioranza delle mutazioni che causano malattie necessiterebbe lo sviluppo di un altro tipo di editor di basi, un tipo che potrebbe convertire le A in G o le T in C. Diretti da Nicole Gaudelli, un precedente post doc del laboratorio, abbiamo iniziato a sviluppare questa seconda categoria di editor di basi, che in teoria, potrebbe correggere quasi la metà di tutte le mutazioni patogene, inclusa la mutazione che causa il rapido invecchiamento della 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.
Ci siamo accorti che potevamo prendere in prestito, ancora una volta, il meccanismo bersaglio delle forbici CRISPR per guidare il nuovo editor di basi nel punto esatto all'interno del gene. Ma abbiamo subito incontrato un problema enorme: non esiste nessuna proteina che sappia convertire le A in G o T in C all'interno del DNA. Scontrandoci con questo muro, la maggior parte degli studenti avrebbe cercato altri progetti, o forse un altro supervisore. (Risate) Ma Nicole ha accettato di continuare con un piano che al momento sembrava estremamente ambizioso. Vista la mancanza in natura di queste proteine che potevano fare la chimica necessaria, abbiamo deciso che potevamo sviluppare in laboratorio la nostra specifica proteina che potesse convertire una A in una base che si comportasse come G, prendendo una proteina che attua sul RNA una chimica simile. Abbiamo avviato una selezione darwiniana del più adatto alla vita che esplorasse le decine di milioni di varianti di proteine e che permettesse la sopravvivenza solo alle rare varianti che sapevano mettere in atto quel processo chimico. Siamo arrivati a questa proteina, la prima che riesce a convertire una A del DNA in una base che assomiglia ad una G. Una volta legata questa proteina alle forbici CRISPS disabilitate, qui in blu, abbiamo prodotto il secondo modello di editor di basi, che converte le A in G, e che poi impiega la stessa tattica di sottrazione usata nel primo modello di editor di basi per ingannare le cellule a sostituire la base non modificata T con una C quando ricostruisce il filamento sottratto, così portando a termine la conversione completa della coppia A-T con G-C.
(Applause)
(Applausi)
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
In qualità di scienziato accademico degli Stati Uniti, non sono abituato ad essere interrotto dagli applausi.
(Laughter)
(Risate)
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.
Abbiamo sviluppato questi due modelli di editor di basi, solo tre anni fa e un anno e mezzo fa. Ma anche se è passato poco tempo, l'editing di basi è già ampliamente usato dalla comunità di ricerca biomedica. Sono stati spediti più di 6000 editor rispondendo alle richieste di oltre 1.000 ricercatori di tutto il mondo. Sono già state pubblicate centinaia di ricerche che utilizzano editor di basi in organismi che vanno dai batteri alle piante, ai topi, ai primati.
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.
Sebbene gli editor di basi siano troppo recenti per entrare nella ricerca umana, gli scienziati hanno raggiunto una tappa fondamentale verso l'obiettivo usando editor di basi sugli animali per correggere mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche nell'uomo. Ad esempio, un team di scienziati diretti da Luke Koblan e Jon Levy, due altri studenti del mio laboratorio, hanno recentemente usato un virus per inoculare questo secondo tipo di editor in un topo affetto da progeria, mutando la T che provoca la malattia in una C e annullando le conseguenze sul DNA, RNA e proteine.
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.
Gli editor di base sono utilizzati anche sugli animali per invertire le conseguenze di tirosinemia, di beta-talassemia, distrofia muscolare, fenilchetonuria, una sordità congenita e un tipo di malattia cardiovascolare-- in tutti i casi, correggendo direttamente una mutazione puntiforme che causa o contribuisce alla malattia. Gli editor di basi sono stati impiegati sulle piante per introdurre cambi di lettere singole sul DNA che potessero dare un raccolto migliore.
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 i biologi hanno usato gli editor di basi per verificare il ruolo delle singole lettere in geni associati a malattie come il cancro. Le due società che ho creato, Beam Therapeutics e Pairwise Plants, usano editor di basi per curare le malattie genetiche dell'uomo e per migliorare l'agricoltura. Tutte queste applicazioni di editing di basi hanno preso piede in meno di tre anni: sulla scala del tempo della scienza, è un battito di ciglia.
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.
Davanti a noi c'è altro lavoro prima che l'editing delle basi possa raggiungere il suo pieno potenziale e migliorare la vita di pazienti con malattie genetiche. Anche se molte malattie sono difficilmente curabili correggendo la mutazione sottostante, in poche cellule di un organo, portare macchine molecolari come gli editor di basi all'interno delle cellule umane può essere sfidante. Utilizzare i virus esistenti per ottenere editor di basi invece di usare le molecole del raffreddore è una delle strategie migliori per arrivare al risultato che sia mai stata usata. Continuare a sviluppare nuove macchine molecolari che possano indentificare altri modi per convertire una coppia di basi in un'altra coppia e che minimizzi le modifiche non richieste in altri punti delle cellule è fondamentale. E impegnarsi con altri scienziati, medici, studiosi di etica e governi per massimizzare la possibilità che l'editing di basi venga applicato con coscienza in modo sicuro e etico rimane un obbligo essenziale.
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.
Malgrado queste sfide, se mi aveste detto anche solo cinque anni fa che studiosi di tutto il mondo avrebbero usato macchine molecolari sviluppate in laboratorio per modificare direttamente una singola coppia di basi in un'altra coppia in un punto specifico del genoma umano, in modo efficiente e con danni secondari minimi, vi avrei chiesto, "Ma che libro di fantascienza state leggendo?" Grazie a questo gruppo di studenti così dediti e instancabili, così creativi da realizzare quello che noi stessi progettavamo e così coraggiosi da sviluppare quello che non sapevamo fare, l'editing ha cominciato a trasformare quella aspirazione fantascientifica in una nuova emozionante realtà, in cui il più grande regalo che possiamo dare ai nostri figli non è solo un set di tre miliardi di lettere di DNA, ma anche i mezzi per proteggerli e ripararli.
Thank you.
Grazie
(Applause)
(Applausi)
Thank you.
Grazie.