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 presente mais importante que a vossa mãe e o vosso pai alguma vez vos ofereceram foram dois conjuntos de 3 mil milhões de letras de ADN que compõem o vosso genoma. Mas como qualquer coisa com 3 mil milhões de componentes, esse presente é frágil. O sol, o fumar, uma alimentação pouco saudável, até mesmo erros naturais das vossas células, tudo provoca mudanças no vosso genoma. O tipo mais comum de mudança no ADN é a troca simples de uma letra, ou base, como um C, por uma letra diferente, como um T, um G ou um A. Num dia comum, as células do corpo acumularão, no seu conjunto, milhares de milhões dessas trocas de uma letra, também chamadas de "mutações pontuais".
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 maioria dessas mutações é inofensiva. Mas de vez em quando, uma mutação pontual perturba uma aptidão importante numa célula, ou faz com que uma célula tenha um comportamento nocivo. Se essa mutação fosse herdada dos vossos pais, ou ocorresse cedo o suficiente no vosso desenvolvimento, então o resultado seria que muitas, ou todas as vossas células, conteriam essa mutação nociva. Então, vocês estariam entre as centenas de milhões de pessoas com uma doença genética, como a anemia falciforme, a progéria, a distrofia muscular ou a doença 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."
As doenças genéticas graves causadas por mutações pontuais são especialmente frustrantes porque sabemos frequentemente a exacta alteração de letra que causa a doença o que, em teoria, poderia curar a doença. Há milhões de pessoas a sofrer de anemia falciforme porque têm mutações pontuais de um A para um T em ambas as cópias do seu gene da hemoglobina. As crianças com progéria nascem com um T numa posição única no seu genoma, onde nós temos um C, com a devastadora consequência de estes miúdos maravilhosos e brilhantes envelhecerem muito rapidamente e falecerem por volta dos 14 anos. Ao longo da história da medicina, não temos tido uma forma de corrigir eficazmente as mutações pontuais em sistemas vivos, para mudar aquele T, que os adoece, para um C. Talvez até agora, porque recentemente o meu laboratório conseguiu desenvolver essa capacidade, a que nós chamamos "edição 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 história de como desenvolvemos o editor de bases começou, na verdade, há três mil milhões de anos. Nós pensamos nas bactérias como fontes de infecção, mas as bactérias propriamente ditas também são propensas a ser infectadas, em particular por vírus. Então, há cerca de 3 mil milhões de anos, as bactérias desenvolveram um mecanismo de defesa para combater a infecção viral. Esse mecanismo de defesa é agora mais conhecido por CRISPR. E a bomba do CRISPR é esta proteína roxa que age como uma tesoura molecular para cortar o ADN, quebrando a hélice dupla em duas partes. Se o CRISPR não conseguisse distinguir entre ADN bacteriano e viral, não seria um sistema de defesa muito 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.
Mas a característica mais incrível do CRISPR é que a tesoura pode ser programada para procurar, ligar e cortar apenas uma sequência específica de ADN. Quando uma bactéria encontra um vírus pela primeira vez, ela pode armazenar um pequeno fragmento do ADN desse vírus para ser usado como um programa para direccionar a tesoura CRISPR para cortar essa sequência de ADN viral durante uma infecção futura. Cortar o ADN de um vírus perturba a função do gene viral cortado e, portanto, interrompe o ciclo de vida do vírus.
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.
Pesquisadores extraordinários, incluindo Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna e Feng Zhang mostraram, há seis anos, como a tesoura CRISPR poderia ser programada para cortar sequências de ADN à nossa escolha, inclusive sequências no vosso genoma, em vez das sequências de ADN viral escolhidas pelas bactérias. Mas os resultados são semelhantes. Cortar uma sequência de ADN no vosso genoma normalmente, também perturba a função do gene cortado, geralmente gerando a inclusão e a exclusão de misturas aleatórias de letras de ADN no local 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.
A interrupção de genes pode ser muito útil para algumas aplicações. Mas, para a maioria das mutações pontuais que causam doenças genéticas, o simples corte do gene que já sofreu mutação não beneficiará os pacientes, porque a função desse gene precisa de ser restaurada, não ainda mais perturbada. Assim, cortar esse gene da hemoglobina que já sofreu mutação e que causa a anemia falciforme não restaurará a capacidade dos pacientes de produzir hemácias saudáveis. Embora, às vezes, possamos introduzir novas sequências de ADN nas células para substituir as sequências de ADN ao redor de um local de corte, infelizmente esse processo não funciona na maioria dos tipos de células, e os consequentes genes perturbados ainda predominam.
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.
Como muitos cientistas, sonhei com um futuro em que conseguiríamos tratar, ou até mesmo curar, doenças genéticas humanas, mas vi a inexistência de uma forma de corrigir as mutações pontuais, que causam a maioria das doenças genéticas humanas, como um grande obstáculo.
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 sou químico, comecei a trabalhar com os meus alunos para desenvolver formas de usar a química directamente numa base de ADN individual e realmente corrigir, em vez de interromper, as mutações que causam doenças genéticas. Os resultados de nosso esforço são máquinas moleculares chamadas "editores de bases". Esses editores usam o mecanismo de busca programável da tesoura CRISPR, mas, ao invés de cortar o ADN, convertem directamente uma base em outra sem perturbar o restante do gene. Se pensarmos em proteínas CRISPR naturalmente existentes como tesouras moleculares, podemos pensar nos editores de bases como lápis, capazes de substituir directamente uma letra de ADN por outra, reorganizando realmente os átomos de uma base de ADN para, em vez disso, se tornar numa 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 não existem na natureza. Na verdade, projectámos o primeiro editor de bases, mostrado aqui, a partir de três proteínas independentes que nem sequer vêm do mesmo organismo. Começámos por pegar em tesouras CRISPR e desactivar a capacidade de cortar ADN, mantendo, porém, a sua capacidade de procurar e ligar uma sequência de ADN de uma maneira programada. A essas tesouras CRISPR alteradas, mostradas a azul, anexamos uma segunda proteína, a vermelho, que realiza uma reacção química na base C do ADN convertendo-a numa base que se comporta como T. Terceiro, tivemos de anexar às duas primeiras proteínas a proteína mostrada a roxo, que evita que a base editada seja removida pela célula. O resultado final é uma proteína manipulada de três partes que nos permite, pela primeira vez, converter Cs em Ts em localizações especificadas no 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.
Mas mesmo nesta fase, o nosso trabalho estava apenas a meio, porque, para ser estável nas células, os dois filamentos de uma dupla hélice de ADN têm de formar pares de bases. Como C faz par apenas com G, e T só faz par com A, a simples mudança de um C para um T, num filamento de ADN, cria uma incompatibilidade, um desacordo entre os dois filamentos de ADN que a célula tem de resolver decidindo o filamento a substituir. Percebemos que poderíamos, além disso, projetar essa proteína de três partes para sinalizar o filamento não editado como aquele a substituir pelo corte desse filamento. Esse pequeno corte engana a célula para substituir o G não editado por um A, uma vez que recria o filamento cortado, completando assim a conversão do que costumava ser um par de bases C-G num par de bases T-A estável.
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.
Após vários anos de trabalho árduo liderado por uma das pós-doutorandas do laboratório, Alexis Komor, conseguimos desenvolver esta primeira classe de editor de bases, que converte Cs em Ts, e Gs em As, em posições específicas à nossa escolha. Entre as mais de 35 mil mutações pontuais conhecidas, associadas a doenças, os dois tipos de mutações que esse primeiro editor de bases pode reverter são, juntos, responsáveis por cerca de 14% ou cerca de 5 mil mutações pontuais patogénicas. Mas corrigir a maior fracção de mutações pontuais causadoras de doenças exigiria o desenvolvimento de uma segunda classe de editor de bases, uma que pudesse converter As em Gs, ou Ts em Cs. Liderados por Nicole Gaudelli, outra pós-doutoranda do laboratório, começámos a desenvolver esta segunda classe de editor de bases, que, em teoria, poderia corrigir até quase metade das mutações pontuais patogénicas, incluindo a mutação que causa progéria, a doença do envelhecimento rápido.
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.
Percebemos que poderíamos pedir emprestado, mais uma vez, o mecanismo de direccionamento da tesoura CRISPR para trazer o novo editor de bases para o local certo num genoma. Mas rapidamente encontrámos um problema incrível: não há uma proteína conhecida que converta A em G, ou T em C, no ADN. Diante de um obstáculo tão sério, a maioria dos alunos provavelmente procuraria outro projecto, ou outro orientador de pesquisa. (Risos) Mas a Nicole concordou em prosseguir com um plano que, na época, parecia desmesuradamente ambicioso. Dada a ausência de uma proteína natural que realize a química necessária, decidimos desenvolver a nossa própria proteína em laboratório para converter A numa base que se comporta como G, a partir de uma proteína que realiza uma química parecida sobre o ARN. Montámos um sistema de selecção darwiniano de sobrevivência do mais apto, que explorou dezenas de milhões de variantes de proteínas e permitiu apenas aquelas variantes raras que poderiam realizar a química necessária para sobreviver. Acabámos com uma proteína mostrada aqui, a primeira que pode converter um A do ADN, numa base parecida com G. Quando anexámos essa proteína à tesoura CRISPR desactivada, mostrada a azul, produzimos o segundo editor de bases, que converte As em Gs e utiliza, depois, a mesma estratégia de corte de filamento que usámos no primeiro editor de bases para enganar a célula na substituição do T não-editado por um C, conforme recria o filamento cortado, completando assim a conversão de um par de bases A-T num par de bases G-C.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Como cientista académico nos EUA, não estou habituado a ser interrompido por aplausos.
(Laughter)
(Risos)
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 duas primeiras classes de editores de bases apenas há três anos e há um ano e meio. Mas mesmo neste curto período, a edição de bases tornou-se amplamente usada pela comunidade de pesquisa biomédica. Os editores de bases foram enviados mais de 6 mil vezes a pedido de mais de mil pesquisadores em todo o mundo. Já se publicou uma centena de trabalhos de pesquisa científica usando editores de bases em organismos que variam desde bactérias a plantas, ratos e primatas.
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.
Embora os editores sejam muito novos para entrarem em ensaios clínicos com seres humanos, há cientistas que conseguiram alcançar um marco decisivo rumo a esse objectivo usando editores de bases em animais para corrigir mutações pontuais que causam doenças genéticas humanas. Por exemplo, uma equipa colaborativa de cientistas liderada por Luke Koblan e Jon Levy , dois estudantes do meu laboratório, usou recentemente um vírus para alcançar essa segunda edição de bases num rato com progéria, mudando o T causador da doença para um C, invertendo as suas consequências no ADN, no ARN e nos níveis de proteína.
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 também têm sido usados em animais para inverter as consequências da tirosinemia, da beta-talassemia, da distrofia muscular, da fenilcetonúria, de uma surdez congénita e de um tipo de doença cardiovascular, em cada caso, pela correcção directa de uma mutação pontual que causa ou contribui para a doença. Nas plantas, os editores de bases têm sido usados para introduzir mudanças individuais de uma única letra do ADN que podem levar a melhores colheitas.
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.
Os biólogos têm usado editores de bases para investigar o papel de letras individuais em genes associados a doenças como o cancro. Duas empresas que ajudei a fundar, a Beam Therapeutics e a Pairwise Plants, estão a usar a edição de bases para tratar doenças genéticas humanas e aperfeiçoar a agricultura. Todas essas aplicações da edição de bases ocorreram em menos de três anos, o que, na escala de tempo histórica da ciência, seria um piscar de olhos.
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.
Há mais trabalho pela frente antes de a edição de bases poder concretizar todo o seu potencial para melhorar a vida de pacientes com doenças genéticas. Embora muitas dessas doenças sejam consideradas tratáveis pela correcção da mutação subjacente, mesmo numa modesta fracção de células de um órgão, a distribuição de máquinas moleculares como editores de bases em células de um ser humano pode ser desafiadora. A escolha de vírus da natureza para distribuir editores de bases, em vez das moléculas que causam uma constipação, é uma das várias estratégias promissoras de distribuição que tem sido usada com sucesso. Continuar a desenvolver novas máquinas moleculares que possam tornar todos os restantes modos de converter um par de bases em outro e minimizar a edição indesejada em locais fora do alvo nas células é muito importante. E envolver-se com outros cientistas, médicos, eticistas e governos, para maximizar a probabilidade de que a edição de bases seja aplicada de modo ponderado, seguro e ético, continua a ser um dever crucial.
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.
Apesar desses desafios, se alguém me tivesse dito, há apenas cinco anos, que pesquisadores em todo o mundo usariam máquinas moleculares desenvolvidas em laboratório para converter directamente um par de bases noutro par num local específico do genoma humano, de forma eficaz e com um mínimo de outros resultados, eu ter-vos-ia perguntado: "Que livro de ficção científica andam vocês a ler?". Graças a um grupo de alunos continuamente dedicados, criativos o suficiente para construir o que nós mesmos poderíamos projectar e corajosos o bastante para desenvolver o que não conseguíssemos, a edição de bases começou a transformar essa aspiração de ficção científica numa nova realidade empolgante, na qual o presente mais importante que damos aos nossos filhos não são apenas 3 mil milhões de letras de ADN, mas também os meios para protegê-las e repará-las.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.