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."
Het belangrijkste geschenk dat je moeder en vader je ooit gaven, waren de twee sets van drie miljard letters van het DNA die jouw genoom vormen. Maar zoals alles met drie miljard componenten is die gift kwetsbaar. Zonlicht, roken, ongezond eten, zelfs spontane fouten in je cellen veroorzaken allemaal wijzigingen in je genoom. De meest voorkomende soort verandering in DNA is de eenvoudige verwisseling van een letter, of base, zoals C, met een andere letter, zoals T, G of A. Elke dag accumuleren de cellen in je lichaam miljarden zulke een-letterverwisselingen, ook wel ‘puntmutaties’ genoemd.
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.
De meeste van deze puntmutaties zijn onschadelijk. Maar zo nu en dan verstoort een puntmutatie een belangrijke functie in een cel of laat ze een cel zich misdragen op schadelijke manieren. Als je die mutatie erfde van je ouders of ze vroeg genoeg in je ontwikkeling plaatsvond, dan is het resultaat dat veel of al je cellen deze schadelijke mutatie bevatten. En dan zou je een van de honderden miljoenen mensen zijn met een erfelijke ziekte, zoals sikkelcelanemie, progeria, spierdystrofie of de ziekte van 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."
Ernstige genetische aandoeningen veroorzaakt door puntmutaties zijn bijzonder frustrerend omdat we vaak precies weten welke een-letterverandering de ziekte veroorzaakt en haar in theorie ook zou kunnen genezen. Miljoenen mensen lijden aan sikkelcelanemie omdat ze een A naar T puntmutatie hebben in beide kopieën van het hemoglobinegen. Kinderen met progeria worden met een T geboren op een enkele plaats in het genoom waar je een C hebt, met het verwoestende gevolg dat deze prachtige, slimme kinderen zeer snel verouderen en al rond hun veertiende sterven. In de geschiedenis van geneeskunde konden we die puntmutaties nooit corrigeren in levende systemen, om die ziekteverwekkende T terug te veranderen naar een C. Misschien tot nu toe. Omdat mijn laboratorium er onlangs in slaagde om iets te verwezenlijken dat we ‘base editing’ noemen.
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.
Het verhaal van hoe we base editing ontwikkelden, begint in feite drie miljard jaar geleden. Wij zien bacteriën als bron van besmettingen, maar bacteriën zelf zijn ook gevoelig voor besmetting, in het bijzonder door virussen. Ongeveer drie miljard jaar geleden evolueerden bacteriën een afweermechanisme tegen virusinfecties. Dat afweermechanisme is nu beter bekend als CRISPR. En de kernkop in CRISPR is dit paarse eiwit dat fungeert als een moleculaire schaar om DNA te knippen, en de dubbele helix in twee stukken te breken. Als CRISPR bacterieel en viraal DNA niet kon onderscheiden, zou het geen erg nuttig afweersysteem zijn.
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.
Maar de meest verbazingwekkende eigenschap van CRISPR is dat de schaar kan worden geprogrammeerd voor het zoeken, binden en snijden van een specifieke DNA-sequentie. Als een bacterie dus een virus voor de eerste keer ontmoet, kan ze een klein stukje DNA van het virus opslaan om het te gebruiken als programma om de CRISPR-schaar te leren die virale DNA-sequentie weg te knippen bij een volgende infectie. Het verknippen van het DNA van een virus verknoeit de functie van het verknipte virale gen, en verstoort daarmee de levenscyclus van het 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.
Opmerkelijke onderzoekers, waaronder Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna en Feng Zhang, toonden zes jaar geleden aan hoe de CRISPR-schaar kan worden geprogrammeerd om DNA-sequenties naar keuze te knippen, met inbegrip van sequenties in je genoom, in plaats van de virale, door bacteriën gekozen DNA-sequenties. Maar de resultaten zijn vergelijkbaar. Knippen van een DNA-sequentie in je genoom verstoort ook de functie van het verknipte gen, omdat dit het inbrengen en verwijderen van willekeurige mengsels van DNA-letters op de knipplaats veroorzaakt.
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.
Nu kan het verstoren van genen soms zeer nuttig zijn. Maar voor de meeste puntmutaties die genetische ziekten veroorzaken, is het eenvoudigweg wegknippen van het al gemuteerde gen niet goed voor de patiënten, omdat de functie van het gemuteerde gen moet worden hersteld en niet verder verstoord. Dus het wegknippen van het gemuteerde hemoglobine-gen dat sikkelcelanemie veroorzaakt, geeft patiënten het vermogen niet terug om gezonde rode bloedcellen te maken. Hoewel we soms nieuwe DNA-sequenties in cellen kunnen introduceren om de DNA-sequenties rond een knipplaats te vervangen, werkt dat proces helaas niet in de meeste soorten cellen en overheersen de gevolgen van het verstoorde gen nog steeds.
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.
Zoals veel wetenschappers droomde ik van een toekomst met behandelingen of zelfs genezing van erfelijke ziekten bij mensen. Maar ik zag in dat zonder het herstellen van puntmutaties, die de meeste erfelijke ziekten bij mensen veroorzaken, dit een groot probleem zou zijn.
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.
Als chemicus begon ik met mijn studenten manieren te ontwikkelen om een individuele DNA-base direct chemisch te veranderen, om een oplossing in plaats van alleen een verstoring te vinden voor de mutaties die genetische ziekten veroorzaken. Het resultaat van onze inspanningen zijn moleculaire machines die we ‘base-editors’ noemen. Base-editors gebruiken het programmeerbare zoekmechanisme van CRISPR-scharen, maar in plaats van in het DNA te knippen, zetten ze direct een base om naar een andere zonder de rest van het gen te verstoren. Als je de natuurlijk voorkomende CRISPR-eiwitten bekijkt als moleculaire scharen, denk dan aan base-editors als potloden, die rechtstreeks één DNA-letter kunnen herschrijven tot een andere door daadwerkelijk de atomen van een DNA-base te herschikken tot een andere base.
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.
Base-editors bestaan niet in de natuur. In feite ontwierpen we de eerste base-editor, hier afgebeeld, met drie afzonderlijke proteïnen die zelfs niet afkomstig zijn van hetzelfde organisme. We namen CRISPR-scharen en schakelden de mogelijkheid uit om DNA te knippen met behoud van de mogelijkheid om te zoeken naar en binden aan een doelwit-DNA-sequentie op een geprogrammeerde manier. Aan die uitgeschakelde CRISPR-schaar, hier in blauw, hechtten we een tweede eiwit, hier rood, dat een chemische reactie uitvoert op de DNA-base C en ze omzet in een base die zich als een T gedraagt. Ten derde moesten we aan de eerste twee eiwitten een eiwit, hier in paars, hechten dat de bewerkte base beschermt tegen verwijdering door de cel. Het nettoresultaat is een kunstmatig drieledig eiwit waarmee we voor de eerste keer C’s in T’s kunnen omzetten op bepaalde plaatsen in het genoom.
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.
Maar ook op dit punt was ons werk maar half gedaan. Want om stabiel in cellen te zijn, moeten de strengen van een DNA-dubbele-helix basenparen vormen. Omdat C alleen paart met G en T alleen met A, creëert het veranderen van een C naar een T op een DNA-streng een fout, een onenigheid tussen de twee DNA-strengen die de cel moet oplossen door te beslissen welk onderdeel vervangen moet worden. We beseften dat we dit drieledige eiwit verder konden bewerken om de onaangepaste streng te markeren als degene die vervangen diende te worden door een knik in die streng. Die kleine knik doet de cel een onaangepaste G door een A vervangen. Het herstelt de geknikte streng en voltooit daardoor de omzetting van het vroegere CG-basenpaar in een stabiel TA-basenpaar.
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.
Na een aantal jaren hard werken, geleid door een voormalige postdoc in het lab, Alexis Komor, slaagden we in het ontwikkelen van deze eerste klasse base-editor, die C’s omzet in T’s en G’s in A’s op de door ons gewenste posities. Van de meer dan 35.000 bekende met ziekten geassocieerde puntmutaties zijn de twee soorten mutaties die deze eerste base-editor kan omkeren samen goed voor ongeveer 14 procent of ongeveer 5000 pathogene puntmutaties. Maar het corrigeren van het grootste deel van ziekte-veroorzakende puntmutaties zou de ontwikkeling van een tweede soort base-editor vereisen, een die A’s kan omzetten in G’s of T’s in C’s. Onder leiding van Nicole Gaudelli, een voormalige postdoc in het lab, wilden we die tweede soort base-editor ontwikkelen, die in theorie bijna de helft van de pathogene puntmutaties zou kunnen corrigeren, ook de mutatie die de snelle-verouderingziekte progeria veroorzaakt.
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.
We realiseerden ons dat we opnieuw gebruik zouden kunnen maken van het doelzoekend mechanisme van de CRISPR-schaar om de nieuwe base-editor op de juiste plaats in een genoom te brengen. Maar al snel liepen we op tegen een ongelooflijk probleem: we kenden namelijk geen eiwit dat in DNA een A in een G of een T naar een C omzet. Bij zo'n tegenvaller zouden veel studenten een ander project zoeken, of een andere onderzoeksadviseur. (Gelach) Maar Nicole stemde in met een plan dat op dat moment extreem ambitieus leek. Omdat er in de natuur geen eiwit voorkwam dat de noodzakelijke chemie uitvoert, besloten we om ons eigen eiwit in het laboratorium te laten evolueren om A om te zetten in een base die zich als G gedraagt, uitgaande van een eiwit dat verwante chemie op RNA uitvoert. We zetten een Darwiniaans selectiesysteem voor de overleving van de sterkste op dat tientallen miljoenen eiwitvarianten onderzocht en alleen de zeldzame varianten toestond die de benodigde chemie om te overleven zouden kunnen uitvoeren. We eindigden met een hier getoond eiwit, het eerste dat in DNA A kan omzetten in een base die op G lijkt. En toen we dat eiwit vastmaakten aan de uitgeschakelde CRISPR-schaar, hier in blauw, produceerden we de tweede base-editor, die A’s omzet in G’s, en dan gebruik maakt van dezelfde streng-knikkende strategie die we hebben gebruikt in de eerste base-editor om de cel te verleiden tot vervanging van de niet-aangepaste T door een C terwijl het de geknikte streng herstelt en de omzetting van een AT-basenpaar in een GC-basenpaar voltooit.
(Applause)
(Applaus)
Thank you.
Dank je.
(Applause)
(Applaus)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Als academische wetenschapper in de VS ben ik niet gewend te worden onderbroken door applaus.
(Laughter)
(Gelach)
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.
We ontwikkelden deze eerste twee soorten base-editors slechts drie jaar geleden en anderhalf jaar geleden. Maar zelfs in die korte tijd gebruikt de biomedische onderzoekswereld base-editen al op grote schaal. Base-editors zijn al meer dan 6.000 keer verzonden op vraag van meer dan 1.000 onderzoekers van over de hele wereld. Een honderdtal wetenschappelijke onderzoeksrapporten zijn al gepubliceerd over gebruik van base-editors in organismen variërend van bacteriën tot planten en van muizen tot primaten.
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.
De base-editors zijn te nieuw voor klinische proeven op mensen, maar wetenschappers bereikten een kritische mijlpaal op weg naar dat doel door base-editors op dieren toe te passen om puntmutaties te corrigeren die menselijke genetische ziekten veroorzaken. Zo is er een team van wetenschappers onder leiding van Luke Koblan en Jon Levy, twee andere studenten in mijn lab, dat recent een virus gebruikte om die tweede base-editor af te leveren in een muis met progeria. Ze veranderden de ziekteverwekkende T terug in een C en keerden zo de gevolgen ervan op DNA, RNA en eiwitgehalte om.
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.
Base-editors zijn ook gebruikt bij dieren om de gevolgen terug te draaien van tyrosinemie, beta-thalassemie, spierdystrofie, fenylketonurie, een aangeboren doofheid en een soort van hart- en vaatziekten -- telkens door het direct corrigeren van een puntmutatie die leidt tot of bijdraagt aan de ziekte. In planten zijn base-editors gebruikt om afzonderlijke enkelvoudige DNA-letterveranderingen te introduceren die kunnen leiden tot betere gewassen.
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.
Biologen hebben base-editors gebruikt om de rol van afzonderlijke letters te onderzoeken in genen geassocieerd met ziekten zoals kanker. Twee bedrijven waarvan ik medeoprichter ben, Beam Therapeutics en Pairwise Plants, gebruiken base-editen om menselijke erfelijke ziekten te behandelen en de landbouw te verbeteren. Al deze toepassingen van base-editen gebeurden in minder dan de afgelopen drie jaar: op de historische tijdschaal van de wetenschap is dat een oogwenk.
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.
Er moet nog veel gebeuren voordat base-editen zijn volledige potentieel kan realiseren om het leven van patiënten met erfelijke ziekten te verbeteren. Hoewel men denkt dat veel van deze ziekten behandelbaar zijn door correctie van de onderliggende mutatie in zelfs een klein deel van de cellen in een orgaan, is het inbrengen van moleculaire machines zoals base-editors in cellen van een mens nog altijd een uitdaging. Inzetten van natuurlijke virussen om base-editors af te leveren in plaats van de moleculen die je verkouden maken, is een van de veelbelovende leveringsstrategieën die al met succes is gebruikt. Doorgaan met het ontwikkelen van nieuwe moleculaire machines om op alle overgebleven manieren een basenpaar om te zetten in een ander basenpaar en ongewenste aanpassingen op onbedoelde locaties in cellen te minimaliseren, is zeer belangrijk. Overleg met andere wetenschappers, artsen, ethici en overheden om de waarschijnlijkheid te maximaliseren dat base-editen zorgvuldig, veilig en ethisch wordt toegepast, blijft een cruciale verplichting.
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.
Ondanks deze uitdagingen, als je me zelfs maar vijf jaar geleden had verteld dat onderzoekers over de hele wereld in laboratorium geëvolueerde moleculaire machines zouden gebruiken om rechtstreeks individuele basenparen te converteren naar andere basenparen op een bepaalde locatie in het menselijk genoom en wel efficiënt en met een minimum aan andere uitkomsten, zou ik je hebben gevraagd: "Welke science-fiction roman ben jij aan het lezen?" Dankzij een onophoudelijk toegewijde groep studenten die creatief genoeg waren om te vervaardigen wat we zelf konden ontwerpen en dapper genoeg om te evolueren wat we zelf niet konden maken, begon base-editen die science-fictionachtige aspiratie om te zetten in een spannende nieuwe werkelijkheid, één waarbij het belangrijkste geschenk dat wij onze kinderen geven niet alleen de drie miljard letters van ons DNA zijn, maar ook de middelen om het te beschermen en te herstellen.
Thank you.
Dank je.
(Applause)
(Applaus)
Thank you.
Dank je.