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 dado por nossos pais foram os 2 conjuntos de 3 bilhões de letras do DNA que compõem nosso genoma. Mas, como qualquer coisa com 3 bilhões de componentes, esse presente é frágil. Luz solar, tabagismo, alimentação não saudável, até mesmo erros espontâneos das células, tudo provoca mudanças em nosso genoma. O tipo mais comum de mudança no DNA é a troca simples de uma letra, ou base, como C, por uma letra diferente, como T, G ou A. Um dia, as células do corpo juntas acumularão bilhões dessas trocas de uma única letra também chamadas "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 interrompe uma capacidade importante de uma célula ou faz com que ela se comporte de maneira prejudicial. Se essa mutação fosse herdada de seus pais, ou ocorresse cedo o bastante em seu desenvolvimento, como resultado, muitas ou todas as células conteriam essa mutação prejudicial. Então, você seria uma de centenas de milhões de pessoas com uma doença genética, como anemia falciforme, progéria, distrofia muscular ou 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."
Doenças genéticas graves causadas por mutações pontuais são particularmente frustrantes, porque, muitas vezes, conhecemos a exata alteração da letra que causa a doença e, em teoria, poderia curá-la. Milhões sofrem de anemia falciforme porque têm mutações pontuais únicas de A a T em ambas as cópias do gene da hemoglobina. E crianças com progéria nascem com um T em uma posição única no genoma onde deveriam ter um C, com a consequência devastadora de que essas crianças maravilhosas e brilhantes envelhecem muito rapidamente e morrem por volta dos 14 anos de idade. Em toda a história da medicina, não temos tido uma maneira eficaz de corrigir mutações pontuais em sistemas vivos, para reverter o T causador de doenças para um C. Talvez até agora. Porque meu laboratório recentemente conseguiu desenvolver essa capacidade, que chamamos de "edição de base".
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 a desenvolvemos começa, na verdade, há 3 bilhões de anos. Pensamos em bactérias como fontes de infecção, mas elas mesmas também são propensas a serem infectadas, em particular, por vírus. Há cerca de 3 bilhões de anos, as bactérias desenvolveram um mecanismo de defesa para combater a infecção viral. Esse mecanismo é agora mais conhecido como CRISPR. E a ogiva no CRISPR é esta proteína roxa que age como uma tesoura molecular para cortar o DNA, quebrando a hélice dupla em duas partes. Se o CRISPR não conseguisse distinguir entre DNA 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 DNA. Quando uma bactéria encontra um vírus pela primeira vez, ela pode armazenar um pequeno trecho do DNA desse vírus para ser usado como um programa para direcionar a tesoura CRISPR e cortar essa sequência de DNA viral durante uma infecção futura. Cortar o DNA de um vírus atrapalha 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, inclusive Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna e Feng Zhang mostraram, há seis anos, como a tesoura CRISPR poderia ser programada para cortar sequências de DNA de nossa escolha, inclusive sequências em nosso genoma, em vez das sequências de DNA viral escolhidas pelas bactérias. Mas os resultados são, na verdade, semelhantes. Cortar uma sequência de DNA em nosso genoma também interrompe geralmente a função do gene cortado, causando a inclusão e a exclusão de misturas aleatórias de letras de DNA no local de 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, cortar simplesmente o gene que já sofreu mutação não beneficiará os pacientes, porque a função desse gene precisa ser restaurada, não interrompida ainda mais. Portanto, cortar esse gene da hemoglobina que já sofreu mutação que causa a anemia falciforme não restaurará a capacidade dos pacientes de produzir hemácias saudáveis. Embora, às vezes, possamos introduzir novas sequências de DNA nas células para substituir as sequências de DNA em torno de um local de corte, esse processo, infelizmente, não funciona na maioria dos tipos de células, e os resultados dos genes interrompidos 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 poderíamos tratar ou até mesmo curar doenças genéticas humanas, mas vi a falta de uma maneira de corrigir as mutações pontuais, que causam a maioria das doenças genéticas humanas, como um grande problema a ser superado.
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 meus alunos para desenvolver modos de realizar química diretamente em uma base de DNA 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 base". Esses editores usam o mecanismo de busca programável da tesoura CRISPR, mas, em vez de cortar o DNA, convertem diretamente uma base em outra sem desestabilizar o restante do gene. Se pensarmos em proteínas CRISPR existindo naturalmente como tesouras moleculares, podemos pensar em editores de base como lápis, capazes de reescrever diretamente uma letra de DNA em outra, reorganizando os átomos de uma base de DNA para, em vez disso, se tornar uma 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.
Editores de base não existem na natureza. Na verdade, projetamos o primeiro editor de base, mostrado aqui, a partir de três proteínas separadas que nem sequer vêm do mesmo organismo. Começamos pegando tesouras CRISPR e desativando a capacidade de cortar DNA, mas mantendo sua capacidade de procurar e ligar uma sequência de DNA alvo de uma maneira programada. A essas tesouras CRISPR alteradas, mostradas em azul, anexamos uma segunda proteína em vermelho, que realiza uma reação química na base C do DNA, convertendo-a em uma base que se comporta como T. Terceiro, tivemos que anexar às duas primeiras proteínas a proteína mostrada em roxo, que evita que a base editada seja removida pela célula. O resultado final é uma proteína projetada de três partes que, pela primeira vez, nos permite converter Cs em Ts em locais especificados 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 nesse ponto, nosso trabalho estava apenas na metade, porque, para ser estável nas células, os dois filamentos de uma dupla hélice de DNA têm que 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 DNA, cria uma incompatibilidade, um desacordo entre os dois filamentos de DNA que a célula tem que resolver decidindo qual filamento substituir. Percebemos que poderíamos, além disso, projetar essa proteína de três partes para sinalizar o filamento não editado como o que seria substituído 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 em um 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 essa primeira classe de editor de base, que converte Cs em Ts, e Gs em As, em posições específicas de nossa escolha. Entre as mais de 35 mil mutações pontuais conhecidas associadas a doenças, os dois tipos de mutações que esse primeiro editor de base pode reverter são juntos responsáveis por cerca de 14% ou 5 mil ou mais mutações pontuais patogênicas. Mas a correção da maior fração de mutações pontuais causadoras de doenças exigiria o desenvolvimento de uma segunda classe de editor de base, uma que pudesse converter As em Gs, ou Ts em Cs. Liderados por Nicole Gaudelli, outra pós-doutoranda do laboratório, começamos a desenvolver essa segunda classe de editor de base, que, em teoria, poderia corrigir até quase a metade das mutações pontuais patogênicas, inclusive 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 pegar emprestado, mais uma vez, o mecanismo de direcionamento da tesoura CRISPR para trazer o novo editor de base para o local certo em um genoma. Mas rapidamente encontramos um problema incrível: não há uma proteína conhecida que converta A em G, ou T em C, no DNA. Diante de um obstáculo tão sério, a maioria dos alunos talvez procuraria outro projeto, se não outro orientador de pesquisa. (Risos) Mas Nicole concordou em prosseguir com um plano que parecia muito ambicioso na época. Dada a ausência de uma proteína natural que realiza a química necessária, decidimos desenvolver nossa própria proteína em laboratório para converter A em uma base que se comporta como G, a partir de uma proteína que realiza uma química parecida sobre o RNA. Montamos um sistema de seleção de Darwin, 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. Acabamos com uma proteína mostrada aqui, a primeira que pode converter A do DNA, em uma base que se parece com G. Quando anexamos essa proteína à tesoura CRISPR desativada, mostrada em azul, produzimos o segundo editor de base, que converte As em Gs e, em seguida, utiliza a mesma estratégia de corte de filamento que usamos no primeiro editor de base 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 em um 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 acadêmico nos EUA, não estou acostumado 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 essas duas primeiras classes de editores de base há apenas três anos e há um ano e meio. Mas, mesmo nesse breve período, a edição de base tornou-se amplamente usada pela comunidade de pesquisa biomédica. Editores de base foram enviados mais de 6 mil vezes a pedido de mais de mil pesquisadores em todo o mundo. Cem trabalhos de pesquisa científica já foram publicados, usando editores de base em organismos que variam de 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 já terem entrado em ensaios clínicos com seres humanos, cientistas conseguiram alcançar um marco decisivo rumo a esse objetivo usando editores de base em animais para corrigir mutações pontuais que causam doenças genéticas humanas. Por exemplo, uma equipe colaborativa de cientistas liderada por Luke Koblan e Jon Levy, dois dos alunos do meu laboratório, usaram recentemente um vírus para distribuir o segundo editor de base em um camundongo com progéria, mudando de volta o T causador de doença para um C e revertendo suas consequências nos níveis de DNA, RNA e 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.
Editores de base também têm sido usados em animais para reverter as consequências de tirosinemia, beta-talassemia, distrofia muscular, fenilcetonúria, uma surdez congênita e um tipo de doença cardiovascular, em cada caso, pela correção direta de uma mutação pontual que causa a doença ou contribui para ela. Nas plantas, editores de base têm sido usados para introduzir mudanças individuais de uma única letra de DNA 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 base para investigar o papel de letras individuais em genes associados a doenças como o câncer. Duas empresas que cofundei, a Beam Therapeutics e a Pairwise Plants, estão usando edição de base para tratar doenças genéticas humanas e aperfeiçoar a agricultura. Todas essas aplicações de edição de base 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 que a edição de base possa concretizar todo o seu potencial para melhorar a vida de pacientes com doenças genéticas. Embora muitas dessas doenças sejam consideradas tratáveis pela correção da mutação subjacente, mesmo em uma fração modesta de células de um órgão, a distribuição de máquinas moleculares como editores de base em células de um ser humano pode ser desafiadora. A escolha de vírus da natureza para distribuir editores de base, em vez das moléculas que causam um resfriado, 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 modos restantes 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 base seja aplicada de modo ponderado, seguro e ético, continua sendo uma obrigação muito importante.
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 ao redor do mundo usariam máquinas moleculares desenvolvidas em laboratório para converter diretamente um par de bases individual em outro par em um local específico do genoma humano, de forma eficaz e com um mínimo de outros resultados, eu teria perguntado: "Que romance de ficção científica você está lendo?" Graças a um grupo de alunos continuamente dedicados, criativos o suficiente para construir o que nós mesmos poderíamos projetar e corajosos o bastante para desenvolver o que não conseguíssemos, a edição de base começou a transformar essa aspiração de ficção científica em uma nova realidade empolgante, na qual o presente mais importante que damos aos nossos filhos não são apenas 3 bilhões de letras de DNA, mas também os meios para protegê-las e repará-las.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.