È possibile curare le malattie genetiche riscrivendo il DNA?

Il biologo chimico David R. Liu, raccontando la storia di una scoperta scientifica, condivide una conquista: i suoi editor di basi sviluppati in laboratorio che possono riscrivere il DNA. Questo passo cruciale nell'editing genetico innalza le aspettative sul CRISPR portandole a un livello superiore: se le proteine CRISPS sono forbici molecolari, programmate per tagliare specifiche sequenze di DNA, allora gli editor di basi sono matite, in grado di riscrivere direttamente una lettera del DNA al posto di un'altra. Scoprite come funzionano queste macchine molecolari -- e qual è il loro potenziale nella cura delle malattie genetiche.

Il dono più importante che
i vostri genitori vi abbiano mai fatto

sono le due coppie di tre miliardi
di codice del DNA

che formano il vostro genoma.

Ma come qualsiasi cosa formata da
tre miliardi di componenti

è un dono molto fragile.

Il sole, il fumo, il cibo non sano,

anche gli errori naturali
che fanno le vostre cellule,

tutto questo provoca
cambiamenti al genoma.

Il cambiamento più comune del DNA

è la semplice inversione di una lettera,
o base, come la C,

con un'altra lettera, come la T, G o A.

Ogni giorno le cellule
del vostro corpo effettuano

miliardi di questi scambi di lettere
chiamati "mutazioni puntiformi".

La maggior parte di queste
mutazioni sono benigne.

Ma ogni tanto,
una mutazione puntiforme interrompe

una funzione importante di una cellula

o causa un comportamento anomalo
della cellula stessa.

Se la mutazione vi è stata tramandata
dai vostri genitori

o è avvenuta nella fase iniziale
del vostro sviluppo,

il risultato è che molte
o tutte le vostre cellule

conterranno questo
mutamento maligno.

E voi sareste una delle centinaia
di milioni di persone

con una malattia genetica,
come l'anemia falciforme o la progeria,

o la distrofia muscolare,
o la malattia di Tay-Sachs.

Queste gravissime malattie genetiche
causate da mutazioni puntiformi

sono particolarmente frustranti,

perché spesso sappiamo qual è
esattamente la modifica della lettera

che causa la malattia e che,
in teoria, potrebbe curarla.

Milioni di persone soffrono
di anemia falciforme

perché hanno una sola
mutazione puntiforme da A a T

nelle loro coppie di geni di emoglobina.

I bambini affetti da progeria
sono nati con una T

in una precisa posizione del loro genoma

dove dovrebbe trovarsi una lettera C,

con la conseguenza devastante
che questi ragazzi incredibili e brillanti

invecchiano molto rapidamente
e muoiono verso i 14 anni.

Nella storia della medicina
non abbiamo mai avuto modo

di correggere le mutazioni puntiformi
in sistemi viventi,

per variare la lettera da T,
causa della malattia, in C.

Fino ad ora, forse.

Infatti il mio laboratorio recentemente
è riuscito a sviluppare questa capacità

che noi chiamiamo "editing di basi".

La storia di come abbiamo
sviluppato l'editing di basi

di fatto inizia tre miliardi di anni fa.

Consideriamo i batteri
come fonte di infezioni,

ma anche gli stessi batteri
vengono infettati,

in particolare dai virus.

Per cui circa tre miliardi di anni fa,

i batteri hanno sviluppato un meccanismo
di difesa per combattere le infezioni.

Quel meccanismo di difesa è meglio
conosciuto come CRISPR.

La testata del CRISPR
è questa proteina in viola

che agisce come forbice
molecolare per tagliare il DNA,

rompendo in due la doppia elica del DNA.

Se il CRISPR non riuscisse a distinguere
tra DNA di batteri e di virus

non sarebbe un sistema di difesa efficace.

Ma la funzionalità
più incredibile del CRISPR

è che le forbici possono essere
programmate per cercare,

legarsi e tagliare soltanto
una specifica sequenza di DNA.

Così quando un batterio incontra
un virus per la prima volta,

può conservare un piccolo
frammento di DNA di quel virus

usandolo per programmare
le forbici del CRISPR

a tagliare quella sequenza di DNA
in caso di infezione.

Tagliare il DNA del virus danneggia
le funzioni del gene virale stesso

e interrompe di conseguenza
il ciclo vitale del virus.

Ricercatori importanti quali

Emmanuelle Charpentier,
George Church,

Jennifer Doudna e Feng Zhang

sei anni fa hanno dimostrato come le
forbici CRISPR possono essere programmate

per tagliare le sequenze di DNA
da noi selezionate,

comprese le sequenze del vostro genoma,

al posto delle sequenze del DNA del virus
selezionate dai batteri.

I risultati sono del tutto simili.

Anche tagliare una sequenza di DNA
del vostro genoma

interrompe la funzione
del gene tagliato, generalmente,

causando l'inserimento
o la cancellazione

di lettere di DNA a caso
nel punto del taglio.

Ora, interrompere i geni può essere
molto utile in alcune applicazioni.

Ma per molte mutazioni puntiformi
che causano malattie genetiche,

il solo tagliare un gene
già mutato, non aiuta i malati,

perché la funzione del gene mutato
deve essere ripristinata,

non interrotta ulteriormente.

Per cui, tagliare questo gene
di emoglobina già mutato

che causa l'anemia falciforme,

non ripristina la capacità dei pazienti
di generare cellule sanguigne sane.

Anche se a volte riusciamo a introdurre
nuove sequenze di DNA nelle cellule

per ripristinare le sequenze di DNA
attorno ad un taglio,

questo processo, sfortunatamente,
non funziona in molti tipi di cellule,

e il gene modificato torna
a prendere il sopravvento.

Come molti scienziati,
ho sognato un futuro

in cui saremo in grado di trattare
o persino curare

le malattie genetiche dell'uomo.

Ma credo che la mancanza di soluzioni
per le mutazioni puntiformi,

che causano la maggior parte
di malattie genetiche,

ed è uno dei maggiori
ostacoli da superare.

Essendo un chimico, ho cominciato
a lavorare con i miei studenti

per trovare modi di trasformare
chimicamente le basi del DNA,

per aggiustare,
più che interrompere,

le mutazioni che causano
malattie genetici.

I risultati dei nostri sforzi
sono macchine molecolari

chiamate "editor di basi".

Gli editor di basi usano il meccanismo
programmabile delle forbici CRISPR,

ma al posto di tagliare il DNA,

trasformano direttamente una base
in un'altra base

senza interrompere il resto del gene.

Quindi, se pensate alle proteine CRISPR

che agiscono come forbici molecolari,

potete pensare agli editor
di basi come matite,

capaci di riscrivere direttamente
una lettera di DNA sull'altra

di fatto riorganizzando gli atomi
della base di DNA

invece di trasformarli
in una base diversa.

Bene, gli editor di basi
non esistono in natura.

In effetti, abbiamo progettato
il primo editor di basi, qui in foto,

con tre proteine diverse

che non provengono nemmeno
dallo stesso organismo.

Abbiamo iniziato con le forbici CRISPR
e disabilitato la capacità di tagliare DNA

e mantenendo intatta la capacità
di ricercare e legare

a una specifica sequenza di DNA
in maniera programmata.

Alle forbici CRISPR disabilitate, in blu,

abbiamo legato
una seconda proteina, in rosso,

che attua una reazione chimica
sul DNA di base C,

modificandolo con una base
che agisce come T.

Terzo, abbiamo dovuto legare
alle due proteine

la proteina mostrata in viola,

che protegge la base modificata
dall'essere eliminata dalla cellula.

Il risultato è una proteina ingegnerizzata
a tre componenti

che , per la prima volta
ci permette di convertire le C in T

in punti specifici del genoma.

Ma anche a questo punto,
il nostro lavoro era solo a metà strada.

Perché, per essere stabile nelle cellule,

i due filamenti di DNA a doppia elica
devono formare coppie di basi.

E, dal momento che le C si accoppiano
unicamente con le G,

e le T si accoppiano con le A,

cambiare semplicemente le C con le T
su un filamento di DNA

crea sfasamento,

un'incongruenza tra i due filamenti di DNA

che le cellule devono risolvere
decidendo quale filamento sostituire.

Abbiamo capito che era possibile
modificare ulteriormente

questa proteina a tre

per marcare il filamento non modificato
per la sostituzione

sottraendogli il filamento.

Questo piccolo trucco inganna la cellula

che rimpiazza la G
non modificata con una A

ricostruendo il filamento,

e completando la conversione definitiva
di quella che era una base C-G

in una coppia T-A stabile.

Dopo molti anni di duro lavoro,

diretto da uno dei post-doc
del laboratorio, Alexis Comor,

siamo riusciti a sviluppare il primo
gruppo di editor di basi,

che convertono le C in T e le G in A

in punti specifici a nostra scelta.

Tra le oltre 35.000 malattie conosciute,

associate a mutazione puntiforme,

i due tipi di mutazione che questo primo
tipo di editor di basi può modificare

ne raggruppa circa il 14 per cento,
ovvero circa 5.000 mutazioni patogene.

Ma correggere la maggioranza
delle mutazioni che causano malattie

necessiterebbe lo sviluppo
di un altro tipo di editor di basi,

un tipo che potrebbe convertire
le A in G o le T in C.

Diretti da Nicole Gaudelli,
un precedente post doc del laboratorio,

abbiamo iniziato a sviluppare questa
seconda categoria di editor di basi,

che in teoria, potrebbe correggere
quasi la metà

di tutte le mutazioni patogene,

inclusa la mutazione che causa il
rapido invecchiamento della progeria.

Ci siamo accorti che potevamo
prendere in prestito, ancora una volta,

il meccanismo bersaglio
delle forbici CRISPR

per guidare il nuovo editor di basi
nel punto esatto all'interno del gene.

Ma abbiamo subito incontrato
un problema enorme:

non esiste nessuna proteina

che sappia convertire le A in G o T in C
all'interno del DNA.

Scontrandoci con questo muro,

la maggior parte degli studenti
avrebbe cercato altri progetti,

o forse un altro supervisore.

(Risate)

Ma Nicole ha accettato
di continuare con un piano

che al momento sembrava
estremamente ambizioso.

Vista la mancanza in natura
di queste proteine

che potevano fare
la chimica necessaria, abbiamo deciso

che potevamo sviluppare in laboratorio
la nostra specifica proteina

che potesse convertire una A
in una base

che si comportasse come G,

prendendo una proteina che attua
sul RNA una chimica simile.

Abbiamo avviato una selezione darwiniana
del più adatto alla vita

che esplorasse le decine di milioni
di varianti di proteine

e che permettesse la sopravvivenza
solo alle rare varianti

che sapevano mettere in atto
quel processo chimico.

Siamo arrivati a questa proteina,

la prima che riesce
a convertire una A del DNA

in una base che assomiglia ad una G.

Una volta legata questa proteina

alle forbici CRISPS disabilitate,
qui in blu,

abbiamo prodotto il secondo modello
di editor di basi,

che converte le A in G,

e che poi impiega
la stessa tattica di sottrazione

usata nel primo modello di editor di basi

per ingannare le cellule a sostituire
la base non modificata T con una C

quando ricostruisce
il filamento sottratto,

così portando a termine
la conversione completa

della coppia A-T con G-C.

(Applausi)

Grazie.

(Applausi)

In qualità di scienziato accademico
degli Stati Uniti,

non sono abituato ad essere
interrotto dagli applausi.

(Risate)

Abbiamo sviluppato questi due modelli
di editor di basi,

solo tre anni fa
e un anno e mezzo fa.

Ma anche se è passato poco tempo,

l'editing di basi è già ampliamente usato
dalla comunità di ricerca biomedica.

Sono stati spediti più di 6000 editor

rispondendo alle richieste di
oltre 1.000 ricercatori di tutto il mondo.

Sono già state pubblicate
centinaia di ricerche

che utilizzano editor di basi in organismi
che vanno dai batteri

alle piante, ai topi, ai primati.

Sebbene gli editor di basi
siano troppo recenti

per entrare nella ricerca umana,

gli scienziati hanno raggiunto
una tappa fondamentale verso l'obiettivo

usando editor di basi sugli animali

per correggere mutazioni puntiformi che
causano malattie genetiche nell'uomo.

Ad esempio, un team di scienziati
diretti da Luke Koblan e Jon Levy,

due altri studenti del mio laboratorio,

hanno recentemente usato un virus

per inoculare questo
secondo tipo di editor

in un topo affetto da progeria,

mutando la T che provoca la malattia
in una C

e annullando le conseguenze
sul DNA, RNA e proteine.

Gli editor di base
sono utilizzati anche sugli animali

per invertire le conseguenze
di tirosinemia,

di beta-talassemia, distrofia muscolare,

fenilchetonuria, una sordità congenita

e un tipo di malattia cardiovascolare--

in tutti i casi, correggendo direttamente
una mutazione puntiforme

che causa o contribuisce alla malattia.

Gli editor di basi
sono stati impiegati sulle piante

per introdurre cambi
di lettere singole sul DNA

che potessero dare un raccolto migliore.

E i biologi hanno usato
gli editor di basi per verificare

il ruolo delle singole lettere

in geni associati a malattie
come il cancro.

Le due società che ho creato,
Beam Therapeutics e Pairwise Plants,

usano editor di basi per curare
le malattie genetiche dell'uomo

e per migliorare l'agricoltura.

Tutte queste applicazioni
di editing di basi

hanno preso piede in meno di tre anni:

sulla scala del tempo della scienza,

è un battito di ciglia.

Davanti a noi c'è altro lavoro

prima che l'editing delle basi
possa raggiungere

il suo pieno potenziale

e migliorare la vita di pazienti
con malattie genetiche.

Anche se molte malattie
sono difficilmente curabili

correggendo la mutazione sottostante,

in poche cellule di un organo,

portare macchine molecolari
come gli editor di basi

all'interno delle cellule umane

può essere sfidante.

Utilizzare i virus esistenti
per ottenere editor di basi

invece di usare
le molecole del raffreddore

è una delle strategie migliori
per arrivare al risultato

che sia mai stata usata.

Continuare a sviluppare
nuove macchine molecolari

che possano indentificare altri modi

per convertire una coppia
di basi in un'altra coppia

e che minimizzi le modifiche non
richieste in altri punti delle cellule

è fondamentale.

E impegnarsi con altri scienziati,
medici, studiosi di etica e governi

per massimizzare la possibilità
che l'editing di basi

venga applicato con coscienza

in modo sicuro e etico

rimane un obbligo essenziale.

Malgrado queste sfide,

se mi aveste detto
anche solo cinque anni fa

che studiosi di tutto il mondo

avrebbero usato macchine molecolari
sviluppate in laboratorio

per modificare direttamente
una singola coppia di basi

in un'altra coppia

in un punto specifico del genoma umano,

in modo efficiente e
con danni secondari minimi,

vi avrei chiesto, "Ma che libro
di fantascienza state leggendo?"

Grazie a questo gruppo di studenti
così dediti e instancabili,

così creativi da realizzare
quello che noi stessi progettavamo

e così coraggiosi da sviluppare
quello che non sapevamo fare,

l'editing ha cominciato a trasformare
quella aspirazione fantascientifica

in una nuova emozionante realtà,

in cui il più grande regalo
che possiamo dare ai nostri figli

non è solo un set
di tre miliardi di lettere di DNA,

ma anche i mezzi
per proteggerli e ripararli.

Grazie

(Applausi)

Grazie.