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.