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”.
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.
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”.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
(Aplauze)
Vă mulțumesc!
(Aplauze)
Fiind om de știință în SUA,
nu sunt obișnuit să fiu întrerupt de aplauze.
(Râsete)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vă mulțumesc!
(Aplauze)
Vă mulțumesc!