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."
Самый главный подарок от ваших родителей — это двойная спираль из трёх миллиардов молекул ДНК, которые составляют ваш геном. Но как любая вещь, состоящая из трёх миллиардов компонентов, этот дар хрупкий. Солнечный свет, курение, нездоровая пища и даже спонтанные ошибки самих клеток могут вызвать изменения генома. Самый распространённый тип изменений в ДНК — это обычная замена одного нуклеотида, или основания, например С, на другой нуклеотид, например на T, G или А. За один день клетки тела коллективно накапливают миллиарды перемещений нуклеотидов, называемых точковыми мутациями.
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.
Большинство точковых мутаций безвредны. Но время от времени точковая мутация нарушает важную функцию клетки или делает поведение клетки вредным для организма. Если эта мутация унаследована от ваших родителей или произошла на довольно раннем этапе вашего развития, тогда многие или все из ваших клеток содержат эту вредную мутацию. Тогда вы — один из сотни миллионов людей с генетическими заболеванием. Например, серповидноклеточная анемия или прогерия, или мышечная дистрофия, или болезнь Тея-Сакса.
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."
Тяжёлые генетические заболевания из-за точковых мутаций особенно расстраивают нас, поскольку мы часто знаем об изменении конкретного нуклеотида — причины заболевания и теоретически можем излечить заболевание. Миллионы людей страдают от серповидноклеточной анемии из-за единственной мутации нуклеотида А в нуклеотид Т в обеих цепочках гена гемоглобина. А дети с прогерией рождаются с нуклеотидом Т в одной точке генома, в которой должен быть нуклеотид С, и последствия настолько ужасны, что эти прекрасные, гениальные дети быстро стареют и умирают примерно в 14 лет. На протяжении всей истории медицины мы не знали, как эффективно исправить точковые мутации в живых системах, чтобы исправить вредную мутацию нуклеотида Т в С. Возможно, до настоящего момента. Так как моей лаборатории удалось разработать такой способ — способ «Редактирования основания».
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.
История разработки редактора основания началась три миллиарда лет назад. Мы рассматриваем бактерию как источник инфекции, но сами бактерии также подвержены заражению, в частности, вирусами. Около трёх миллиардов лет назад бактерии выработали защитный механизм для борьбы с вирусной инфекцией. Этот защитный механизм теперь широко известен как CRISPR. И поражающим элементом CRISPR является лиловый протеин, разрезающий ДНК наподобие молекулярных ножниц, разрывающий двойную спираль на две части. Если бы CRISPR не мог различать ДНК бактерии и вирусов, он не был бы настолько полезным для защитной системы.
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.
Но самая невероятная особенность CRISPR — это возможность «программирования ножниц» на поиск, привязку и вырезание только конкретных частей ДНК. Когда бактерия встречает вирус в первый раз, она может сохранять небольшой фрагмент ДНК этого вируса для использования в качестве программы управления CRISPR для вырезания последовательности ДНК при последующих инфекциях. Вырезание ДНК вируса мешает работе заражённого гена и прерывает жизненный цикл вируса.
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.
Невероятные исследования Эммануэль Шарпантье, Джорджа Чёрча, Дженнифер Дудна и Фена Джана шесть лет назад продемонстрировали принцип программирования CRISPR для вырезания выбранной последовательности ДНК, включая последовательности в геноме, вместо заражённых последовательностей ДНК, выбираемых бактерией. Но результаты совпали. Вырезание последовательности в геноме также мешает работе разрезанного гена, обычно вызывая вставку и удаление случайных комбинаций нуклеотидов ДНК на стороне разреза.
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.
Нарушение работы генов может быть очень полезным для практических целей. Но в большинстве случаев точковые мутации приводят к генетическим заболеваниям. Простое разрезание уже мутировавшего гена пациентам не поможет, так как необходимо восстановить его работу, а не препятствовать этому. Поэтому разрезание уже мутировавшего гена гемоглобина, вызывающего серповидноклеточную анемию, не восстановит способность пациента вырабатывать здоровые эритроциты. И хотя мы иногда можем вводить последовательности ДНК в клетки для замены последовательностей, окружающих разрез, этот процесс, к сожалению, не происходит в большинстве типов клеток, и эффекты повреждённого гена всё равно преобладают.
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.
Как и многие учёные, я мечтал о будущем, в котором мы сможем лечить или даже излечивать генетические заболевания. Но я ощущал недостаток способов исправить точковые мутации, вызывающие большинство генетических заболеваний у людей, как главную проблему на пути к этому.
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.
Будучи химиком, я начал работать со своими студентами над разработкой способов прямого влияния на основание ДНК человека с целью исправить, а не просто разрушить, вызывающие заболевания мутации. Результат наших усилий — молекулярные машины, называемые «редакторы основания». Они используют программируемый механизм поиска ножниц CRISPR, но вместо разрезания ДНК они напрямую конвертируют одно основание в другое без повреждения остальной части гена. Если представить естественные протеины CRISPR как молекулярные ножницы, то редакторы основания будут карандашами, способными напрямую переписывать нуклеотиды ДНК за счёт преобразования атомов одного основания ДНК в другое основание ДНК.
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.
Редакторы оснований не существуют в природе. В сущности, мы изобрели первый редактор основания из трёх отдельных протеинов, полученных даже не из одного организма. Мы начали с отключения способности ножниц CRISPR разрезать ДНК, оставив способность поиска и связывания целевой последовательности в ДНК по составленному плану. К отключённым ножницам CRISPR, обозначенных синим, мы прикрепили второй протеин, выделенный красным, который осуществляет химическую реакцию на основании нуклеотида С ДНК, превращая его в основание, которое ведёт себя как Т. В-третьих, нам пришлось прикрепить к первым двум протеинам протеин лилового цвета, защищающий отредактированное основание от удаления клеткой. В результате получился протеин из трёх частей, который впервые позволял конвертировать нуклеотиды С в нуклеотиды Т в указанном месте генома.
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.
На даже на этом этапе мы прошли только половину пути. Поскольку для стабильного существования внутри клетки двум цепочкам двойной спирали ДНК необходимо образовать пары оснований. И поскольку С формирует спаренное основание с G, а Т — только с А, простая замена C на Т на одной цепочке ДНК вызывает ошибку спаривания оснований — противоречие между двумя цепочками ДНК, которое клетка должна разрешить, выбрав замену одной из цепочек. Мы поняли, что можно усовершенствовать данный трёхчастный протеин с целью пометить неотредактированные цепочки как те, которые нужно заменить, с помощью никирования данных цепочек. Лёгкое никирование «заставляет» клетку заменить неотредактированный нуклеотид G на А при восстановлении повреждённой цепочки. Таким образом завершается конверсия пары оснований C-G в стабильную пару оснований Т-А.
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.
Несколько лет тяжёлой работы в лаборатории, возглавляемой постдокторантом Алексисом Комором, привели к успеху в развитии первого класса редактора основания, который конвертирует нуклеотиды C в Т и G в А в качестве выбранных целевых позиций. Среди более чем 35 000 известных патогенных точковых мутаций две разновидности, которые первый редактор оснований может обратить, вместе отвечают за 14%, или 5 000, патогенных точковых мутаций. Но исправление большей части патогенных точковых мутаций потребует разработки редактора оснований второго класса, который сможет конвертировать нуклеотиды А в G или Т в C. Под руководством Николь Гауделли, бывшего постдокторанта в лаборатории, мы занялись разработкой второго класса редактора оснований, который, в теории, должен исправить до половины патогенных точковых мутаций, включая вызывающие болезнь преждевременного старения прогерию.
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.
Мы поняли, что сможем снова заимствовать механизм таргетирования ножниц CRISPR, чтобы доставить новый редактор оснований до нужного места в геноме. Однако довольно быстро мы столкнулись с невероятной проблемой. А именно, среди известных протеинов нет такого, который бы конвертировал А в G или T в С внутри ДНК. Столкнувшись с такой серьёзной преградой, большинство студентов стали бы искать другой проект или нового научного руководителя. (Смех) Но Николь согласилась следовать плану, который казался очень амбициозным на тот момент. В отсутствие протеина естественного происхождения, выполняющего необходимую функцию, мы решили выделить собственный протеин в лаборатории для превращения нуклеотида А в основание, ведущее себя как G, начав с протеина, выполняющего похожие функции в РНК. Мы устроили дарвиновскую систему отбора наиболее приспособленного, через которую прошли десятки миллионов вариантов протеинов, и пропустили редкие варианты с химическими свойствами, необходимыми для выживания. Мы остановились на показанном протеине, на первом, который может конвертировать нуклеотид А в ДНК в основание, напоминающее G. Затем мы прикрепили этот протеин к отключённым ножницам CRISPR, показаных синим цветом. Мы создали второй редактор оснований, который превращает нуклеотиды А в G и использует всю ту же стратегию никирования цепочек, использованную в первом редакторе, чтобы «заставить» клетку заменить нередактированный T на С при восстановления никированной цепочки. Таким образом мы завершили процесс конверсии базы A-T в базовую пару G-C.
(Applause)
(Аплодисменты)
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
As an academic scientist in the US, I'm not used to being interrupted by applause.
Будучи университетским учёным в США, я не привык, чтобы меня прерывали аплодисментами.
(Laughter)
(Смех)
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.
Мы разработали два первых класса редакторов основания только три и полтора года назад. Но даже за такое короткое время они нашли широкое применение в биомедицинских исследованиях. Редакторы основания были «запущены» более 6 000 раз по запросу более чем 1 000 исследователей по всему миру. Сотня научно-исследовательских работ уже была опубликована после использования редакторов основания на разных организмах, включая бактерии, растения, мышей и приматов.
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.
Хотя редакторы оснований ещё слишком новы для клинических испытаний на людях, учёным удалось достичь важного прорыва в этом направлении за счёт использования редакторов основания на животных для исправления точковых мутаций — причины генетических заболеваний человека. Например, совместная команда учёных под руководством Люка Коблана и Джона Леви, двух присоединившихся в моей лаборатории студентов, недавно использовала вирус для доставки второго редактора основания в ген мыши, болеющей прогерией, заменив патогенный нуклеотид Т на нуклеотид С и обратив его последствия на уровнях ДНК, РНК и протеинов.
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.
Редакторы оснований также использовались на животных для обращения последствий тирозинемии, бета-талассемии, мышечной дистрофии, болезни Феллинга, врождённой глухоты и одного из сердечно-сосудистых заболеваний. В каждом случае с помощью прямого исправления точковой мутации, которая была причиной или причинным фактором заболевания. В случае с растениями редакторы оснований использовались для изменений отдельных нуклеотидов ДНК с целью повышения уровня урожая.
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.
А биологи использовали редакторы оснований для испытания роли отдельных нуклеотидов в генах, связанных с раковыми заболеваниями. Компании, в которых я являюсь учредителем, Beam Therapeutics и Pairwise Plants, используют редактор оснований для лечения генетических заболеваний людей и улучшения методов агрономии. Этим видам применения редактора оснований меньше трёх лет: с точки зрения исторических рамок науки это мгновение.
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.
Предстоит ещё много работы до реализации полного потенциала редакторов оснований с целью улучшить жизни пациентов с генетическими заболеваниями. Хотя многие из этих заболеваний считаются излечимыми путём исправления лежащей в основе мутации даже в самой мелкой части клеток органа, доставка молекулярных машин, таких как редакторы оснований, в клетку человека может быть сложной задачей. Использование природных вирусов для доставки редакторов оснований вместо молекул, вызывающих простуду, — один из нескольких многообещающих способов доставки, использовавшихся с успехом. Продолжать разработку новых молекулярных машин, поддерживающих оставшиеся методы конверсии одного парного основания в другое и снижающих нежелательное редактирование нецелевых мест в клетках, очень важно. Взаимодействие с учёными, врачами, специалистами по этике и правительствами для увеличения вероятности безопасного и этического применения редактирования основания остаётся важнейшей обязанностью.
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.
Несмотря на все эти сложности, если бы мне ещё пять лет назад сказали, что исследователи по всему миру будут использовать выращенные в лаборатории молекулярные машины для прямой конверсии одной пары оснований в другую пару в конкретной точке человеческого генома эффективно и с минимальными побочными эффектами, я бы спросил: «Что за научную фантастику вы читаете?» Благодаря героическому упорству группы студентов, достаточно креативных для разработки того, что нам удалось разработать, и достаточно смелых для выведения того, что нам не удалось, редактирование основания начало превращать научно-фантастические мечты в удивительную новую реальность, в которой самым важным подарком наши детям может быть не только три миллиарда пар нуклеотидов ДНК, но и средства их защиты и исправления.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
Thank you.
Спасибо.