Pódense curar as enfermidades xenéticas reescribindo o ADN?

A través do relato dun descubrimento científico, o bioquímico David R. Liu comparte un grande avance: o desenvolvemento no seu laboratorio de editores de bases capaces de reescribir o ADN. Este determinante paso na edición do xenoma leva a promesa do CRISPR aínda máis alá: se as proteínas CRISPR son tesoiras moleculares, programas para cortar secuencias de ADN específicas, os editores de bases son lapis, capaces de reescribir directamente unha letra do ADN no canto doutra. Aprende máis sobre como funcionan estas máquinas moleculares e o seu potencial para tratar ou incluso curar enfermidades xenéticas.

O agasallo máis importante
que os nosos pais nos deron nunca

son os dous grupos
de tres mil millóns de letras de ADN

que conforman o noso xenoma.

Pero coma todo aquilo con
tres mil millóns de partes,

ese agasallo é fráxil.

A luz solar, fumar, unha alimentación
pouco saudable,

mesmo erros espontáneos
cometidos polas nosas células,

provocan cambios no noso xenoma.

A alteración máis común que se dá no ADN

é o simple cambio dunha letra ou base,
por exemplo C,

por unha letra diferente, coma
T, G ou A.

Cada día, as células do noso corpo
acumulan de forma colectiva

miles de millóns de cambios dunha única
letra, denominados "mutacións puntuais".

A maioría destas mutacións puntuais
son inofensivas.

Mais de cando en cando,

unha mutación puntual pode alterar
unha función importante nunha célula

ou facer que unha célula actúe
de maneira nociva.

Se esta mutación a herdamos dos nosos pais

ou ocorre nunha etapa temperá
do noso desenvolvemento,

acabaría resultando que moitas
ou todas as nosas células

terían esta mutación prexudicial.

Pois daquela seriamos unha
deses centos de millóns de persoas

cunha enfermidade xenética,

como a anemia falciforme, a proxeria,

a distrofia muscular
ou a enfermidade de Tay-Sachs.

Estas graves enfermidades xenéticas
causadas por mutacións puntuais

son especialmente frustrantes,

xa que moitas veces coñecemos
o cambio de letra exacto

que causa a enfermidade e,
en teoría, poderiamos curala.

Millóns de persoas padecen anemia
falciforme

por presentaren
unha mutación puntual de A a T

en ambas as copias do xene da hemoglobina.

E os nenos con proxeria nacen cun T

nunha única posición no seu xenoma

onde deberían ter un C,

con consecuencias devastadoras
para estes marabillosos e brillantes nenos

que envellecen de forma moi acelerada e
falecen arredor dos 14 anos.

Ao longo da historia da medicina

nunca tivemos unha forma eficiente
de corrixir mutacións puntuais

en seres vivos,

como para volver cambiar ese T,
causante da enfermidade, por un C.

Se cadra ata agora.

Porque no meu laboratorio hai pouco que
conseguimos desenvolver esa capacidade,

que chamamos "edición de bases".

A historia de como desenvolvemos
a edición de bases

remóntase a hai uns 3.000 millóns de anos.

Concibimos as bacterias coma
focos de infección,

mais as propias bacterias tamén son
propensas a seren infectadas,

especialmente por virus.

Así que hai uns 3.000 mil millóns de anos,

as bacterias desenvolveron un mecanismo
para combater as infeccións virais.

Ese mecanismo de defensa
é hoxe coñecido como CRISPR.

E a parte esencial do CRISPR
é esta proteína violeta

que actúa coma unhas tesoiras moleculares,
cortando o ADN

e rompendo a dobre hélice en dúas partes.

Se o CRISPR non puidese distinguir entre
ADN bacteriano e viral,

non sería un sistema de defensa moi útil.

Pero a característica máis asombrosa
do CRISPR

é que as tesoiras poden
programarse para buscar,

unirse e cortar

unicamente unha secuencia específica
do ADN.

Así, cando unha bacteria encontra
un virus por primeira vez,

pode almacenar un pequeno fragmento
do ADN dese virus,

para usalo despois como un programa
para dirixir as tesoiras CRISPR

e cortar esa secuencia do ADN viral
nunha infección futura.

Cortar o ADN do virus estraga
a función do xene viral cortado,

e interrompe consecuentemente
o ciclo de vida do virus.

Investigadores destacados como Emmanuelle
Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna e Feng Zhang

demostraron hai seis anos que se poden
programar as tesoiras xenéticas CRISPR

para cortar secuencias de ADN
seleccionadas por nós,

mesmo secuencias do noso xenoma,

no canto das secuencias de ADN viral
escollidas polas bacterias.

Mais os resultados son,
en efecto, similares.

Cortar as secuencias de ADN do noso xenoma

tamén afecta a función do xene cortado,

ao causar a inserción e eliminación
de mesturas aleatorias de letras de ADN

no lugar do corte.

Alterar os xenes pode ser moi útil
para algunhas aplicacións.

Mais para a maioría das mutacións puntuais
que causan enfermidades xenéticas,

só cortar o xene xa mutado
non beneficia os pacientes,

xa que hai que restaurar
a función do xene mutado,

non alterala máis aínda.

Así, cortar
o xene xa mutado da hemoglobina

que causa a anemia falciforme

non restaura a capacidade do paciente
de xerar glóbulos vermellos sans.

E se ben en ocasións podemos introducir
novas secuencias de ADN nas células

para substituír as secuencias de ADN
que rodean o sitio do corte,

ese proceso, desafortunadamente, non
funciona na maioría dos tipos de células,

e os efectos do xene alterado
continúan predominando.

Coma moitos científicos,
eu soño cun futuro

no que sexamos quen de tratar
e, se cadra, mesmo curar

as enfermidades xenéticas humanas.

Pero considero que a falta dun método para
arranxar as mutacións puntuais

causantes da maioría de enfermidades
xenéticas

é un gran atranco que hai que superar.

Como químico, comecei a traballar
co meu alumnado

para idear formas directas de experimentar
quimicament nunha base individual do ADN

para arranxar, en vez de alterar, as
mutacións que causan doenzas xenéticas.

O resultado do noso traballo son
máquinas moleculares

chamadas "editores de bases".

Os editores de bases usan os mecanismos
programables de busca das tesoiras CRISPR,

mais no canto de cortar o ADN,

converten directamente unha base noutra

sen alterar o resto do xene.

Se concibimos as proteínas naturais
das CRISPR coma tesoiras moleculares,

podemos considerar os editores de bases
como lapis

capaces de substituír
unha letra de ADN por outra

ao reorganizar os átomos dunha base de ADN

e convertela así nunha base diferente.

Os editores de bases non existen
na natureza.

De feito, creamos o primeiro editor
de bases, mostrado aquí,

a partir de tres proteínas

que nin sequera proveñen
do mesmo organismo.

Comezamos por coller as tesoiras CRISPR e
desactivarlles a capacidade de cortar ADN

pero manténdolles a capacidade de buscar e
de unirse a secuencias específicas de ADN

de forma programable.

Ás tesoiras CRISPR desactivadas,
que se ven en azul,

unímoslles unha segunda proteína,
en vermello,

que produce unha reacción química
na base C do ADN

e a converte nunha base
que se comporta coma T.

Terceiro, tivemos que unirlles
ás dúas primeiras proteínas

a proteína de cor violeta

que protexe a base editada
e evita que sexa eliminada pola célula.

O resultado é unha proteína artificial
de tres partes

que por primeira vez nos permite
converter C en T

en lugares específicos do xenoma.

Pero incluso neste punto,
o noso traballo aínda estaba a medias,

xa que para poderen permanecer
estables nas células,

as dúas cadeas de dobre hélice do ADN
deben formar pares de bases.

E como C soamente se emparella con G

e T só se une a A,

cambiar simplemente C por T nunha cadea
de ADN crea unha disparidade,

unha incongruencia entre as dúas cadeas
de ADN

que a célula debe resolver
decidindo que cadea substituír.

Decatámonos de que podiamos modificar
máis aínda esta proteína de tres partes

para que esta marcase a cadea non editada
coma a que debe ser substituída

facéndolle una pequena incisión.

Esta pequena incisión engana a célula

para que cambie o G non editado por un A

mentres refai a cadea marcada,

completando así a conversión
do que era un par C-G

por un par estable T-A.

Despois de anos de duro traballo

dirixido polo antigo posdoutorado
do laboratorio, Alexis Komor,

conseguimos desenvolver
esta primeira clase de editor de bases

que converte C en T e G en A

en posicións específicas da nosa elección.

Entre as máis de 35.000 mutacións puntuais
coñecidas asociadas a enfermidades,

os dous tipos de mutacións
que este editor de bases pode reverter

corresponden, entre ambos, a cerca do 14%
ou 5.000 mutacións puntuais patóxenas.

Pero para corrixir a maioría das mutacións
puntuais causantes de enfermidades

necesitariamos desenvolver
unha segunda clase de editor de bases

capaz de converter A en G ou T en C.

Con Nicole Gaudelli á cabeza,
que foi posdoutorada do laboratorio,

dispuxémonos a desenvolver
este segundo editor de bases

que, en teoría, podería corrixir case
a metade das mutacións puntuais patóxenas,

mesmo a mutación que causa a enfermidade
do envellecemento acelerado, a proxeria.

Descubrimos que podiamos empregar,
unha vez máis,

os mecanismos de busca das tesoiras
CRISPR

para dirixir o novo editor de bases
cara ao lugar indicado no xenoma.

Pero rapidamente nos atopamos
cun gran problema:

non se coñece ningunha proteína

que converta A en G nin T en C

no ADN.

Ao enfrontarse a un escollo tan grave,

moitos estudantes seguramente
buscarían outro proxecto

e se cadra ata outro director.

(Risas)

Pero Nicole decidiu proceder cun plan

que daquela parecía
extremadamente ambicioso.

Dada a inexistencia dunha proteína natural

que realizase o proceso químico necesario,

acordamos desenvolver
a nosa propia proteína no laboratorio

para converter A nunha base
que se comportase como G,

a partir dunha proteína que produce
un proceso químico similar no ARN.

Montamos un sistema darwiniano
de selección de supervivencia do máis apto

que explorou decenas de millóns
de variantes proteicas

e só permitiu a supervivencia
das variantes

capaces de realizar
os procesos químicos necesarios.

O resultado foi unha proteína,
mostrada aquí,

a primeira capaz de converter o A do ADN

nunha base que se asemella ao G.

E ao anexarmos esta proteína

ás tesoiras CRISPR deshabilitadas,
mostradas en azul,

producimos o segundo editor de bases

que converte A en G

e que usa a mesma estratexia de efectuar
unha incisión na cadea

que usamos co primeiro editor de bases

para enganar a célula e facer que
substitúa o T non editado por un C

mentres refai esa cadea marcada,

completando así a conversión dun par A-T
nun par G-C.

(Aplausos)

Grazas.

(Aplausos)

Como científico e académico nos EE.UU,

non adoito ser interrompido
por aplausos.

(Risas)

Desenvolvemos estas
primeiras dúas clases de editores de bases

hai tan só tres anos e un ano e medio.

Mais incluso nese breve período,

a edición de bases popularizouse entre
a comunidade de investigación biomédica

Os editores de bases enviáronse
máis de 6.000 veces

por petición de máis de 1.000
investigadores en todo o mundo.

Xa hai máis de cen artigos de
investigación científica publicados

nos que se usan editores de bases en
diferentes organismos, desde bacterias,

a plantas, ratos e primates.

Se ben os editores de bases
son demasiado recentes

para formaren parte de ensaios
clínicos humanos,

os científicos están a realizar avances
decisivos nesa dirección

ao usaren editores de bases en animais

para corrixir mutacións puntuais que
causan enfermidades xenéticas humanas.

Por exemplo,

un equipo colaborativo de científicos
dirixido por Luke Koblan e Jon Levy,

outros dous estudantes do meu laboratorio,

empregaron recentemente un virus para
inserir o segundo editor de bases

nun rato con proxeria,

cambiando así o T causante da enfermidade
por un C

e revertendo as consecuencias
a nivel do ADN, ARN e das proteínas.

Os editores de bases tamén
se usaron en animais

para reverter as consecuencias da
tirosinemia,

a talasemia beta, a distrofia muscular,

a fenilcetonuria, un tipo de xordeira
conxénita

e un tipo de enfermidade cardiovascular.

En todos os casos, fíxose corrixindo
directamente a mutación puntual

que causa ou contribúe á enfermidade.

En plantas, os editores de bases usáronse

para introducir cambios nunha letra
individual do ADN

e así conseguir mellores cultivos.

E biólogos usaron editores de bases para
investigar o papel das letras individuais

en xenes asociados a enfermidades
coma o cancro.

Dúas empresas que cofundei,
Beam Therapeutics e Pairwise Plants,

usan actualmente a edición de bases
para tratar enfermidades xenéticas humanas

e para mellorar a agricultura.

Todas estas aplicacións
da edición de bases

desenvolvéronse en menos de tres anos.

Na escala temporal da ciencia,

iso é un abrir e pechar de ollos.

Aínda queda moito traballo

para que a edición de bases alcance
o seu máximo potencial

para mellorar a vida dos pacientes
con enfermidades xenéticas.

Malia crer que moitas destas
enfermidades poden tratarse

corrixindo a mutación subxacente

en polo menos unha pequena fracción
das células dun órgano,

introducir máquinas moleculares
coma os editores de bases

en células humanas

pode ser todo un reto.

Facer uso dos virus naturais para inserir
editores de bases

no lugar das moléculas que causan
o catarro

é unha das varias estratexias prometedoras

que se están a empregar con éxito.

Continuar desenvolvendo
novas máquinas moleculares

que consigan realizar o resto de formas

de conversión de pares de bases,

e que minimicen as edicións non desexadas
noutros lugares das células

é moi importante.

E colaborar con outros científicos,
doutores, eticistas e gobernos

para garantir que a edición de bases
se aplique de maneira reflexiva,

segura e ética,

continúa sendo unha obrigación elemental.

A pesar destes retos,

se me dixeran hai tan só cinco anos

que investigadores de todo o mundo

empregarían máquinas moleculares
desenvolvidas en laboratorios

para converter de forma directa
un par de bases

noutro par

en lugares específicos do xenoma humano

de forma eficiente e con efectos
secundarios mínimos,

preguntaríalles:

"Que novela de ciencia ficción
están lendo?"

Grazas a un dedicado e incansable
grupo de estudantes

que foron tan creativos que puideron
construír o que nós deseñamos

e tan valentes que puideron desenvolver
o que nós non fomos quen,

a edición de bases comezou a transformar
esa aspiración de ciencia ficción

nunha emocionante realidade,

onde o agasallo máis importante que
lles pasamos aos nosos fillos

pode que non sexan só os 3.000 millóns
de letras de ADN,

senón tamén os medios para
protexelas e arranxalas.

Grazas.

(Aplausos)