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."
Cel mai important cadou pe care vi l-au oferit mama și tatăl vostru a fost cele două seturi de trei miliarde de litere de ADN care alcătuiesc genomul vostru. Dar ca orice lucru cu trei miliarde de componente, acest cadou este fragil. Lumina soarelui, fumatul, alimentația nesănătoasă, chiar greșelile spontane făcute de celulele voastre, toate cauzează modificări ale genomului. Cel mai frecvent tip de schimbare în ADN e schimbul simplu al unei litere sau al unei baze, cum ar fi C, cu o literă diferită, cum ar fi T, G sau A. În fiecare zi, celulele din corpul vostru vor acumula miliarde de astfel de modificări, care sunt numite și „mutații punctiforme”.
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.
Majoritatea acestor mutații punctiforme sunt inofensive. Dar din când în când, o mutație punctiformă perturbă o capacitate importantă dintr-o celulă sau determină comportarea unei celule în moduri dăunătoare. Dacă mutația respectivă a fost moștenită de la părinți sau a apărut destul de devreme în dezvoltarea voastră, atunci rezultatul ar fi că multe sau toate celulele tale conține această mutație dăunătoare. Și atunci ai fi unul dintre sutele de milioane de oameni cu o boală genetică, cum ar fi anemia cu celule în seceră sau progeria sau distrofia musculară sau boala 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."
Bolile genetice grave cauzate de mutațiile punctiforme sunt în special frustrante, pentru că de multe ori știm exact modificarea de o singură literă ce provoacă boala și, teoretic, ar putea vindeca boala. Milioane de oameni suferă de siclemie deoarece au o singură mutație punctiformă între A și T în ambele copii ale genei lor pentru hemoglobină. Și copiii cu progeria se nasc cu un T într-un loc în genomul lor unde voi aveți un C, cu consecința devastatoare că acești copii minunați și inteligenți îmbătrânesc foarte repede și mor pe la 14 ani. De-a lungul istoriei medicinei, nu am avut o modalitate de a corecta eficient mutațiile punctiforme în organismele vii, pentru a schimba T-ul care provoacă boala înapoi într-un C. Poate până acum. Deoarece laboratorul meu a reușit recent să dezvolte o astfel de capacitate, pe care o numim „editarea de baze”.
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.
Povestea despre cum am dezvoltat editarea de baze începe acum trei miliarde de ani. Credem că bacteriile sunt surse de infecție, dar bacteriile în sine sunt, de asemenea, predispuse la a fi infectate, în special, de către virusuri. Acum aproximativ trei miliarde de ani, bacteriile au dezvoltat un mecanism de apărare pentru combaterea infecțiilor virale. Acest mecanism de apărare e acum mai cunoscut ca CRISPR. Iar miezul lui CRISPR e această proteină purpurie care acționează ca un foarfece molecular ce taie ADN-ul, rupând helixul dublu în două bucăți. Dacă CRISPR nu ar putea distinge între ADN-ul bacterian și viral, nu ar fi un sistem de apărare foarte util.
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.
Dar cea mai uimitoare caracteristică a CRISPR este că foarfecele poate fi programat pentru a căuta, a se lega și a tăia doar o secvență ADN specifică. Deci, când o bacterie întâlnește un virus pentru prima dată, aceasta poate stoca un mic fragment din ADN-ul virusului respectiv pentru a-l utiliza pentru direcționarea foarfecelui CRISPR pentru a tăia acea secvență ADN virală în timpul unei viitoare infecții. Tăierea ADN-ului unui virus afectează funcția genei virale tăiate, și, prin urmare, perturbă ciclul de viață al virusului.
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.
Cercetători remarcabili, printre care Emmanuelle Charpentier, George Church, Jennifer Doudna și Feng Zhang au arătat acum șase ani cum poate fi programat foarfecele CRISPR pentru a tăia secvențele ADN la alegerea noastră, inclusiv secvențele din genomul nostru, în locul secvențelor ADN virale alese de bacterii. Iar rezultatele sunt similare. Tăierea unei secvențe ADN din genom, de asemenea, perturbă de obicei funcția genei tăiate, prin provocarea inserției și ștergerii amestecurilor aleatorii de litere ADN în locul tăiat.
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.
Perturbarea genelor poate fi foarte utilă pentru unele aplicații. Dar pentru cele mai multe mutații punctiforme care provoacă boli genetice, tăierea genei deja mutate nu va aduce beneficii pacienților, deoarece funcția genei mutate trebuie să fie restaurată, nu perturbată în continuare. Deci, tăierea acestei gene deja mutate a hemoglobinei care provoacă anemia cu celule în seceră nu va restabili capacitatea pacienților de a produce globule roșii sănătoase. Și deși uneori putem introduce noi secvențe de ADN în celule pentru a înlocui secvențele ADN ce înconjoară un loc tăiat, din păcate acest proces nu funcționează în majoritatea tipurilor de celule, rezultând predominant gene perturbate.
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.
Ca mulți oameni de știință, am visat la un viitor în care am putea fi capabili să tratăm sau poate chiar să vindecăm boli genetice umane. Dar am considerat lipsa unei modalități de a repara mutațiile punctiforme, care provoacă majoritatea bolilor genetice umane, ca o problemă majoră ce ne stă în cale.
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.
Fiind chimist, am început să lucrez cu elevii mei să dezvolt modalități chimice de a lucra direct pe o bază individuală de ADN care să remedieze în loc să perturbe mutațiile care provoacă boli genetice. Rezultatele eforturilor noastre sunt mașinăriile moleculare numite „editori de baze”. Editorii de baze utilizează mecanismul de căutare programabil al foarfecelui CRISPR, dar în loc să taie ADN-ul, convertesc direct o bază în alta bază fără a perturba restul genei. Deci, dacă vă gândiți la proteinele CRISPR naturale ca la un foarfece molecular, vă puteți gândi la editorii de baze ca la creioane, capabile să rescrie direct o literă ADN în alta prin rearanjarea atomilor unei baze ADN pentru a deveni o bază diferită.
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.
Editorii de baze nu există în natură. De fapt, am conceput primul editor de baze, prezentat aici, din trei proteine separate care nici măcar nu provin din același organism. Am început folosind foarfecele CRISPR și inactivând abilitatea de a tăia ADN-ul, păstrând totodată abilitatea de a căuta și de a se lega o secvență ADN țintă într-un mod programat. La foarfecele CRISPR inactivat, în albastru, am atașat o a doua proteină în roșu, care realizează o reacție chimică cu baza C a ADN-ului, transformând-o într-o bază care se comportă ca T. În al treilea rând, a trebuit să atașăm de primele două proteine proteina în violet, ce protejează baza editată astfel încât să nu fie eliminată de către celulă. Rezultatul net este o proteină proiectată din trei părți care pentru prima dată ne permite să convertim C-urile în T-uri, în locații specifice ale genomului.
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.
Dar chiar și așa, munca noastră era făcută doar pe jumătate. Deoarece pentru a fi stabile în celule, cele două catene ale ADN-ului dublu helix trebuie să formeze perechi de baze. Și pentru că C se împerechează doar cu G, și T se împerechează doar cu A, pur și simplu schimbarea unui C într-un T pe o catenă ADN creează o nepotrivire, un dezacord între cele două catene ADN încât celula trebuie să rezolve asta, hotărând ce catenă să înlocuiască. Am înțeles că am putea construi în continuare această proteină din trei părți pentru a semnala catena needitată ca fiind ceea ce trebuie înlocuită prin întreruperea acelei catene. Această mică întrerupere păcălește celula să înlocuiască un G needitat cu un A pe măsură ce reface catena întreruptă, completând astfel conversia a ceea ce a fost o pereche de baze C-G într-o pereche de baze stabile T-A.
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.
După câțiva ani de muncă asiduă condusă în laborator de un fost doctorand, Alexis Komor, am reușit să dezvoltăm această primă clasă de editori de baze, care transformă C-uri în T-uri și G-uri în A-uri, în poziții specifice la alegerea noastră. Printre cele peste 35.000 de mutații punctiforme cunoscute asociate bolilor, cele două tipuri de mutații pe care le poate corecta acest editor de baze, reprezintă aproximativ 14% sau 5.000 de mutații punctiforme patogene. Dar corectarea celei mai mari fracțiuni de mutații punctiforme cauzatoare de boli ar necesita dezvoltarea unei a doua clase de editori de baze, una care ar putea converti A-uri în G-uri sau T-uri în C-uri. Conduși de Nicole Gaudelli, fostă doctorandă în laborator, ne-am propus să dezvoltăm această a doua clasă de editori de baze, care, teoretic, ar putea corecta jumătate din mutațiile punctiforme patogene, inclusiv acea mutație care determină progeria, boala îmbătrânirii rapide.
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.
Ne-am dat seama că putem împrumuta, încă o dată, mecanismul de direcționare al foarfecelui CRISPR pentru a aduce noul editor de baze în locul potrivit într-un genom. Dar am întâlnit rapid o problemă incredibilă; și anume, că nu există proteine despre care să se știe că transformă A în G sau T în C în ADN. În fața unui obstacol atât de grav, majoritatea studenților ar căuta probabil un alt proiect, dacă nu, alt îndrumător de cercetare. (Râsete) Dar Nicole a acceptat să continue cu un plan care părea extrem de ambițios la momentul respectiv. Având în vedere absența unei proteine naturale care realizează interacțiunea chimică necesară, am decis că vom dezvolta propria noastră proteină în laborator, pentru a converti A într-o bază care se comportă ca G, pornind de la o proteină care realizează interacțiuni chimice înrudite pe ARN. Am creat un sistem de selecție darwinian de supraviețuire a celui mai puternic care a explorat zeci de milioane de variante de proteine și a permis supraviețuirea doar acelor variante rare care puteau realiza interacțiunea chimică necesară. Am ajuns la proteina prezentată aici, prima care poate converti A din ADN într-o bază care seamănă cu G. Și când am atașat acea proteină la foarfecele CRISPR inactivat, afișat în albastru, am produs al doilea editor de baze, care transformă C-urile în G-uri, și apoi folosește aceeași strategie a întreruperii catenei, pe care am folosit-o în primul editor de baze pentru a păcăli celula să înlocuiască T-ul needitat cu un C în timp ce repară acea catenă întreruptă, completând astfel conversia unei perechi de baze A-T în G-C.
(Applause)
(Aplauze)
Thank you.
Vă mulțumesc!
(Applause)
(Aplauze)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Fiind om de știință în SUA, nu sunt obișnuit să fiu întrerupt de aplauze.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Am dezvoltat aceste prime două clase de editori de baze acum trei ani și acum un an și jumătate. Dar chiar și în acest timp scurt, editarea bazelor a devenit larg utilizată de comunitatea de cercetare biomedicală. Editorii de baze au fost trimiși de peste 6.000 de ori la cererea a peste 1.000 de cercetători de pe glob. O sută de lucrări de cercetare științifică au fost deja publicate, folosind editori de baze în organisme care variază de la bacterii, la plante, la șoareci, la primate.
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.
Deși editorii de baze sunt prea noi pentru a fi intrat în studii clinice umane, oamenii de știință au reușit să depășească o etapă critică spre acest scop prin utilizarea editorilor de baze pe animale pentru a corecta mutațiile punctiforme care produc boli genetice umane. De exemplu, o echipă de oameni de știință condusă de Luke Koblan și Jon Levy și doi studenți din laboratorul meu au folosit recent un virus ca să livreze al doilea editor de baze la un șoarece cu progeria, schimbând acel T cauzator de boală înapoi în C, reparând astfel consecințele acestuia la nivel ADN, ARN și proteic.
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.
Editorii de baze au fost folosiți și pe animale pentru a vindeca tirozinemia, beta-talasemia, distrofia musculară, fenilcetonuria, surzitatea congenitală și a unui tip de boală cardiovasculară, în fiecare caz, prin corectarea directă a unei mutații punctiforme care provoacă sau contribuie la boală. În plante, s-au folosit editori de baze pentru a introduce modificări individuale ale unei litere ADN ce ar putea duce la culturi mai bune.
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.
Și biologii au folosit editorii de baze pentru a sonda rolul genetic al unor gene asociate cu boli precum cancerul. Două companii pe care le-am cofinanțat, Beam Therapeutics și Pairwise Plants, utilizează editarea bazelor pentru tratarea bolilor genetice umane și pentru îmbunătățirea agriculturii. Toate aceste utilizări ale editării de baze au avut loc în mai puțin de trei ani: pe scara istoriei științei reprezintă o fracțiune de secundă.
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.
Mai sunt multe de făcut înainte ca editarea de baze să-și atingă întregul potențial pentru a îmbunătăți viața pacienților cu boli genetice. În timp ce multe dintre aceste boli sunt considerate tratabile prin corectarea mutației de bază, chiar și într-o fracțiune modestă de celule dintr-un organ, livrarea mașinăriilor moleculare precum editorii de bază în celule dintr-o ființă umană poate fi dificil. Cooptarea virusurilor pentru a livra editorii de baze în locul moleculelor care vă dau răceală, este una dintre mai multe strategii promițătoare de livrare ce a fost folosită cu succes. Continuând dezvoltarea de noi mașinării moleculare care pot face ca toate căile rămase pentru a converti o pereche de baze într-o altă pereche de baze, minimizând astfel editarea nedorită în afara locațiilor țintite din celule, e foarte importantă. Și implicarea altor oameni de știință, medici, eticieni și guverne pentru a maximiza probabilitatea ca editarea bazelor să fie aplicată cu grijă, în mod sigur și etic, rămâne o obligație importantă.
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.
În ciuda acestor provocări, dacă mi-ați fi spus doar acum cinci ani că cercetătorii de pe glob vor folosi mașinării moleculare dezvoltate în laborator pentru a converti direct o pereche de baze individuale într-o altă pereche de baze într-o locație specifică din genomul uman, eficient și cu un minim de efecte secundare, v-aș fi întrebat: „Ce roman științifico-fantastic citiți?” Mulțumită unui grup de studenți dedicați și neobosiți, suficient de creativi pentru a realiza ceea ce am putut proiecta noi înșine și suficient de curajoși pentru a dezvolta ceea ce noi nu am putut. Editarea bazelor a început să transforme acea aspirație științifico-fantastică într-o nouă realitate interesantă, una în care cel mai important cadou pe care îl oferim copiilor noștri nu sunt doar cele trei miliarde de litere ADN, dar și mijloacele de a le proteja și repara.
Thank you.
Vă mulțumesc!
(Applause)
(Aplauze)
Thank you.
Vă mulțumesc!