Kunnen we erfelijke ziektes genezen door DNA te herschrijven?

In een verhaal over een wetenschappelijke ontdekkingstocht deelt chemisch bioloog David R. Liu een doorbraak: de ontwikkeling in zijn laboratorium van base-editors die DNA kunnen herschrijven. Deze cruciale stap in genome-editing tilt de belofte van CRISPR naar een hoger niveau: als CRISPR-eiwitten een moleculaire schaar zijn, geprogrammeerd om specifieke DNA-sequenties te knippen, dan zijn base-editors potloden die in staat zijn om een DNA-letter direct in een andere te veranderen. Kom meer te weten over hoe deze moleculaire machines werken -- en over hun potentieel om erfelijke ziekten te behandelen of zelfs te genezen.

Het belangrijkste geschenk
dat je moeder en vader je ooit gaven,

waren de twee sets
van drie miljard letters van het DNA

die jouw genoom vormen.

Maar zoals alles
met drie miljard componenten

is die gift kwetsbaar.

Zonlicht, roken, ongezond eten,

zelfs spontane fouten in je cellen

veroorzaken allemaal
wijzigingen in je genoom.

De meest voorkomende
soort verandering in DNA

is de eenvoudige verwisseling
van een letter, of base, zoals C,

met een andere letter, zoals T, G of A.

Elke dag accumuleren
de cellen in je lichaam

miljarden zulke een-letterverwisselingen,
ook wel ‘puntmutaties’ genoemd.

De meeste van deze puntmutaties
zijn onschadelijk.

Maar zo nu en dan

verstoort een puntmutatie
een belangrijke functie in een cel

of laat ze een cel zich misdragen
op schadelijke manieren.

Als je die mutatie erfde van je ouders

of ze vroeg genoeg
in je ontwikkeling plaatsvond,

dan is het resultaat
dat veel of al je cellen

deze schadelijke mutatie bevatten.

En dan zou je een van de
honderden miljoenen mensen zijn

met een erfelijke ziekte,

zoals sikkelcelanemie, progeria,

spierdystrofie of de ziekte van Tay-Sachs.

Ernstige genetische aandoeningen
veroorzaakt door puntmutaties

zijn bijzonder frustrerend

omdat we vaak precies weten

welke een-letterverandering
de ziekte veroorzaakt

en haar in theorie
ook zou kunnen genezen.

Miljoenen mensen
lijden aan sikkelcelanemie

omdat ze een A naar T puntmutatie hebben

in beide kopieën van het hemoglobinegen.

Kinderen met progeria
worden met een T geboren

op een enkele plaats in het genoom

waar je een C hebt,

met het verwoestende gevolg
dat deze prachtige, slimme kinderen

zeer snel verouderen
en al rond hun veertiende sterven.

In de geschiedenis van geneeskunde

konden we die puntmutaties
nooit corrigeren

in levende systemen,

om die ziekteverwekkende T
terug te veranderen naar een C.

Misschien tot nu toe.

Omdat mijn laboratorium er onlangs
in slaagde om iets te verwezenlijken

dat we ‘base editing’ noemen.

Het verhaal van hoe we
base editing ontwikkelden,

begint in feite drie miljard jaar geleden.

Wij zien bacteriën
als bron van besmettingen,

maar bacteriën zelf zijn
ook gevoelig voor besmetting,

in het bijzonder door virussen.

Ongeveer drie miljard jaar geleden

evolueerden bacteriën
een afweermechanisme tegen virusinfecties.

Dat afweermechanisme is
nu beter bekend als CRISPR.

En de kernkop in CRISPR
is dit paarse eiwit

dat fungeert als een
moleculaire schaar om DNA te knippen,

en de dubbele helix
in twee stukken te breken.

Als CRISPR bacterieel en viraal DNA
niet kon onderscheiden,

zou het geen erg nuttig
afweersysteem zijn.

Maar de meest verbazingwekkende
eigenschap van CRISPR

is dat de schaar kan worden
geprogrammeerd voor het zoeken,

binden en snijden
van een specifieke DNA-sequentie.

Als een bacterie dus een virus
voor de eerste keer ontmoet,

kan ze een klein stukje DNA
van het virus opslaan

om het te gebruiken als programma
om de CRISPR-schaar te leren

die virale DNA-sequentie
weg te knippen bij een volgende infectie.

Het verknippen van het DNA van een virus

verknoeit de functie
van het verknipte virale gen,

en verstoort daarmee
de levenscyclus van het virus.

Opmerkelijke onderzoekers, waaronder
Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna en Feng Zhang,

toonden zes jaar geleden aan hoe
de CRISPR-schaar kan worden geprogrammeerd

om DNA-sequenties naar keuze te knippen,

met inbegrip van sequenties in je genoom,

in plaats van de virale,
door bacteriën gekozen DNA-sequenties.

Maar de resultaten zijn vergelijkbaar.

Knippen van een DNA-sequentie in je genoom

verstoort ook de functie
van het verknipte gen,

omdat dit het inbrengen en verwijderen

van willekeurige mengsels van DNA-letters
op de knipplaats veroorzaakt.

Nu kan het verstoren van genen
soms zeer nuttig zijn.

Maar voor de meeste puntmutaties
die genetische ziekten veroorzaken,

is het eenvoudigweg wegknippen
van het al gemuteerde gen

niet goed voor de patiënten,

omdat de functie van het gemuteerde gen
moet worden hersteld

en niet verder verstoord.

Dus het wegknippen
van het gemuteerde hemoglobine-gen

dat sikkelcelanemie veroorzaakt,

geeft patiënten het vermogen niet terug
om gezonde rode bloedcellen te maken.

Hoewel we soms nieuwe DNA-sequenties
in cellen kunnen introduceren

om de DNA-sequenties
rond een knipplaats te vervangen,

werkt dat proces helaas niet
in de meeste soorten cellen

en overheersen de gevolgen
van het verstoorde gen nog steeds.

Zoals veel wetenschappers

droomde ik van een toekomst
met behandelingen of zelfs genezing

van erfelijke ziekten bij mensen.

Maar ik zag in dat zonder
het herstellen van puntmutaties,

die de meeste erfelijke ziekten
bij mensen veroorzaken,

dit een groot probleem zou zijn.

Als chemicus begon ik met mijn studenten
manieren te ontwikkelen

om een individuele DNA-base
direct chemisch te veranderen,

om een oplossing in plaats van
alleen een verstoring te vinden

voor de mutaties die
genetische ziekten veroorzaken.

Het resultaat van onze inspanningen
zijn moleculaire machines

die we ‘base-editors’ noemen.

Base-editors gebruiken

het programmeerbare
zoekmechanisme van CRISPR-scharen,

maar in plaats van in het DNA te knippen,

zetten ze direct een base
om naar een andere

zonder de rest van het gen te verstoren.

Als je de natuurlijk
voorkomende CRISPR-eiwitten

bekijkt als moleculaire scharen,

denk dan aan base-editors als potloden,

die rechtstreeks één DNA-letter
kunnen herschrijven tot een andere

door daadwerkelijk de atomen
van een DNA-base te herschikken

tot een andere base.

Base-editors bestaan niet in de natuur.

In feite ontwierpen we
de eerste base-editor, hier afgebeeld,

met drie afzonderlijke proteïnen

die zelfs niet afkomstig zijn
van hetzelfde organisme.

We namen CRISPR-scharen

en schakelden de mogelijkheid uit
om DNA te knippen

met behoud van de mogelijkheid

om te zoeken naar en binden aan
een doelwit-DNA-sequentie

op een geprogrammeerde manier.

Aan die uitgeschakelde
CRISPR-schaar, hier in blauw,

hechtten we een tweede eiwit, hier rood,

dat een chemische reactie
uitvoert op de DNA-base C

en ze omzet in een base
die zich als een T gedraagt.

Ten derde moesten we
aan de eerste twee eiwitten

een eiwit, hier in paars, hechten

dat de bewerkte base beschermt
tegen verwijdering door de cel.

Het nettoresultaat is
een kunstmatig drieledig eiwit

waarmee we voor de eerste keer
C’s in T’s kunnen omzetten

op bepaalde plaatsen in het genoom.

Maar ook op dit punt
was ons werk maar half gedaan.

Want om stabiel in cellen te zijn,

moeten de strengen
van een DNA-dubbele-helix

basenparen vormen.

Omdat C alleen paart met G

en T alleen met A,

creëert het veranderen
van een C naar een T

op een DNA-streng een fout,

een onenigheid tussen de twee DNA-strengen

die de cel moet oplossen

door te beslissen welk onderdeel
vervangen moet worden.

We beseften dat we dit drieledige
eiwit verder konden bewerken

om de onaangepaste streng te markeren
als degene die vervangen diende te worden

door een knik in die streng.

Die kleine knik doet de cel

een onaangepaste G
door een A vervangen.

Het herstelt de geknikte streng

en voltooit daardoor de omzetting
van het vroegere CG-basenpaar

in een stabiel TA-basenpaar.

Na een aantal jaren hard werken,

geleid door een voormalige
postdoc in het lab, Alexis Komor,

slaagden we in het ontwikkelen
van deze eerste klasse base-editor,

die C’s omzet in T’s en G’s in A’s

op de door ons gewenste posities.

Van de meer dan 35.000 bekende
met ziekten geassocieerde puntmutaties

zijn de twee soorten mutaties
die deze eerste base-editor kan omkeren

samen goed voor ongeveer 14 procent
of ongeveer 5000 pathogene puntmutaties.

Maar het corrigeren van het grootste
deel van ziekte-veroorzakende puntmutaties

zou de ontwikkeling van een tweede
soort base-editor vereisen,

een die A’s kan omzetten
in G’s of T’s in C’s.

Onder leiding van Nicole Gaudelli,
een voormalige postdoc in het lab,

wilden we die tweede soort
base-editor ontwikkelen,

die in theorie bijna de helft

van de pathogene puntmutaties
zou kunnen corrigeren,

ook de mutatie

die de snelle-verouderingziekte
progeria veroorzaakt.

We realiseerden ons dat we opnieuw
gebruik zouden kunnen maken

van het doelzoekend mechanisme
van de CRISPR-schaar

om de nieuwe base-editor

op de juiste plaats
in een genoom te brengen.

Maar al snel liepen we op
tegen een ongelooflijk probleem:

we kenden namelijk geen eiwit

dat in DNA een A in een G
of een T naar een C omzet.

Bij zo'n tegenvaller

zouden veel studenten
een ander project zoeken,

of een andere onderzoeksadviseur.

(Gelach)

Maar Nicole stemde in met een plan

dat op dat moment extreem ambitieus leek.

Omdat er in de natuur
geen eiwit voorkwam

dat de noodzakelijke chemie uitvoert,

besloten we om ons eigen eiwit
in het laboratorium te laten evolueren

om A om te zetten in een base
die zich als G gedraagt,

uitgaande van een eiwit dat verwante
chemie op RNA uitvoert.

We zetten een Darwiniaans selectiesysteem
voor de overleving van de sterkste op

dat tientallen miljoenen
eiwitvarianten onderzocht

en alleen de zeldzame varianten toestond

die de benodigde chemie om te overleven
zouden kunnen uitvoeren.

We eindigden met een hier getoond eiwit,

het eerste dat in DNA A kan omzetten

in een base die op G lijkt.

En toen we dat eiwit vastmaakten

aan de uitgeschakelde
CRISPR-schaar, hier in blauw,

produceerden we de tweede base-editor,

die A’s omzet in G’s,

en dan gebruik maakt
van dezelfde streng-knikkende strategie

die we hebben gebruikt
in de eerste base-editor

om de cel te verleiden tot vervanging
van de niet-aangepaste T door een C

terwijl het de geknikte streng herstelt

en de omzetting van een AT-basenpaar
in een GC-basenpaar voltooit.

(Applaus)

Dank je.

(Applaus)

Als academische wetenschapper in de VS

ben ik niet gewend
te worden onderbroken door applaus.

(Gelach)

We ontwikkelden deze eerste
twee soorten base-editors

slechts drie jaar geleden
en anderhalf jaar geleden.

Maar zelfs in die korte tijd

gebruikt de biomedische onderzoekswereld
base-editen al op grote schaal.

Base-editors zijn al
meer dan 6.000 keer verzonden

op vraag van meer dan 1.000 onderzoekers
van over de hele wereld.

Een honderdtal wetenschappelijke
onderzoeksrapporten zijn al gepubliceerd

over gebruik van
base-editors in organismen

variërend van bacteriën tot planten

en van muizen tot primaten.

De base-editors zijn te nieuw

voor klinische proeven op mensen,

maar wetenschappers bereikten

een kritische mijlpaal
op weg naar dat doel

door base-editors op dieren toe te passen

om puntmutaties te corrigeren die
menselijke genetische ziekten veroorzaken.

Zo is er een team van wetenschappers
onder leiding van Luke Koblan en Jon Levy,

twee andere studenten in mijn lab,

dat recent een virus gebruikte
om die tweede base-editor af te leveren

in een muis met progeria.

Ze veranderden de
ziekteverwekkende T terug in een C

en keerden zo de gevolgen ervan
op DNA, RNA en eiwitgehalte om.

Base-editors zijn ook gebruikt bij dieren

om de gevolgen terug te draaien
van tyrosinemie,

beta-thalassemie, spierdystrofie,

fenylketonurie, een aangeboren doofheid

en een soort van hart- en vaatziekten --

telkens door het direct
corrigeren van een puntmutatie

die leidt tot of bijdraagt aan de ziekte.

In planten zijn base-editors gebruikt

om afzonderlijke enkelvoudige
DNA-letterveranderingen te introduceren

die kunnen leiden tot betere gewassen.

Biologen hebben base-editors gebruikt

om de rol van afzonderlijke
letters te onderzoeken

in genen geassocieerd
met ziekten zoals kanker.

Twee bedrijven
waarvan ik medeoprichter ben,

Beam Therapeutics en Pairwise Plants,

gebruiken base-editen om menselijke
erfelijke ziekten te behandelen

en de landbouw te verbeteren.

Al deze toepassingen van base-editen

gebeurden in minder
dan de afgelopen drie jaar:

op de historische tijdschaal
van de wetenschap

is dat een oogwenk.

Er moet nog veel gebeuren

voordat base-editen
zijn volledige potentieel kan realiseren

om het leven van patiënten
met erfelijke ziekten te verbeteren.

Hoewel men denkt dat veel
van deze ziekten behandelbaar zijn

door correctie
van de onderliggende mutatie

in zelfs een klein deel
van de cellen in een orgaan,

is het inbrengen van
moleculaire machines zoals base-editors

in cellen van een mens

nog altijd een uitdaging.

Inzetten van natuurlijke virussen
om base-editors af te leveren

in plaats van de moleculen
die je verkouden maken,

is een van de veelbelovende
leveringsstrategieën

die al met succes is gebruikt.

Doorgaan met het ontwikkelen
van nieuwe moleculaire machines

om op alle overgebleven manieren

een basenpaar om te zetten
in een ander basenpaar

en ongewenste aanpassingen op onbedoelde
locaties in cellen te minimaliseren,

is zeer belangrijk.

Overleg met andere wetenschappers,
artsen, ethici en overheden

om de waarschijnlijkheid te maximaliseren

dat base-editen zorgvuldig,
veilig en ethisch wordt toegepast,

blijft een cruciale verplichting.

Ondanks deze uitdagingen,

als je me zelfs maar
vijf jaar geleden had verteld

dat onderzoekers over de hele wereld

in laboratorium geëvolueerde
moleculaire machines zouden gebruiken

om rechtstreeks individuele basenparen
te converteren naar andere basenparen

op een bepaalde locatie
in het menselijk genoom

en wel efficiënt en met een minimum
aan andere uitkomsten,

zou ik je hebben gevraagd:

"Welke science-fiction roman
ben jij aan het lezen?"

Dankzij een onophoudelijk
toegewijde groep studenten

die creatief genoeg waren

om te vervaardigen
wat we zelf konden ontwerpen

en dapper genoeg om te evolueren
wat we zelf niet konden maken,

begon base-editen

die science-fictionachtige
aspiratie om te zetten

in een spannende nieuwe werkelijkheid,

één waarbij het belangrijkste geschenk
dat wij onze kinderen geven

niet alleen de drie miljard letters
van ons DNA zijn,

maar ook de middelen
om het te beschermen en te herstellen.

Dank je.

(Applaus)

Dank je.