É possível curar doenças genéticas por meio da reescrita do DNA?

Em uma história de descoberta científica, o biólogo químico David R. Liu compartilha um avanço importante: o desenvolvimento, pelo laboratório dele, de editores de base capazes de reescrever o DNA. Esse passo decisivo na edição do genoma leva a promessa de CRISPR ao próximo nível: se as proteínas CRISPR são tesouras moleculares, programadas para cortar sequências específicas de DNA, então editores de base são lápis, capazes de reescrever diretamente uma letra de DNA em outra. Saiba mais sobre como essas máquinas moleculares funcionam e o potencial delas para tratar ou até mesmo curar doenças genéticas.

O presente mais importante
dado por nossos pais

foram os 2 conjuntos
de 3 bilhões de letras do DNA

que compõem nosso genoma.

Mas, como qualquer coisa
com 3 bilhões de componentes,

esse presente é frágil.

Luz solar, tabagismo,
alimentação não saudável,

até mesmo erros espontâneos das células,

tudo provoca mudanças em nosso genoma.

O tipo mais comum de mudança no DNA

é a troca simples de uma letra,
ou base, como C,

por uma letra diferente, como T, G ou A.

Um dia, as células do corpo
juntas acumularão

bilhões dessas trocas de uma única letra
também chamadas "mutações pontuais".

A maioria dessas mutações é inofensiva.

Mas, de vez em quando,

uma mutação pontual interrompe
uma capacidade importante de uma célula

ou faz com que ela se comporte
de maneira prejudicial.

Se essa mutação
fosse herdada de seus pais,

ou ocorresse cedo o bastante
em seu desenvolvimento,

como resultado, muitas ou todas as células

conteriam essa mutação prejudicial.

Então, você seria uma de centenas
de milhões de pessoas

com uma doença genética,

como anemia falciforme, progéria,

distrofia muscular ou doença de Tay-Sachs.

Doenças genéticas graves
causadas por mutações pontuais

são particularmente frustrantes,

porque, muitas vezes, conhecemos
a exata alteração da letra

que causa a doença
e, em teoria, poderia curá-la.

Milhões sofrem de anemia falciforme

porque têm mutações pontuais
únicas de A a T

em ambas as cópias do gene da hemoglobina.

E crianças com progéria nascem com um T

em uma posição única no genoma

onde deveriam ter um C,

com a consequência devastadora de que
essas crianças maravilhosas e brilhantes

envelhecem muito rapidamente
e morrem por volta dos 14 anos de idade.

Em toda a história da medicina,

não temos tido uma maneira eficaz
de corrigir mutações pontuais

em sistemas vivos,

para reverter o T causador
de doenças para um C.

Talvez até agora.

Porque meu laboratório recentemente
conseguiu desenvolver essa capacidade,

que chamamos de "edição de base".

A história de como a desenvolvemos começa,
na verdade, há 3 bilhões de anos.

Pensamos em bactérias
como fontes de infecção,

mas elas mesmas também
são propensas a serem infectadas,

em particular, por vírus.

Há cerca de 3 bilhões de anos,

as bactérias desenvolveram um mecanismo
de defesa para combater a infecção viral.

Esse mecanismo é agora
mais conhecido como CRISPR.

E a ogiva no CRISPR é esta proteína roxa

que age como uma tesoura molecular
para cortar o DNA,

quebrando a hélice dupla em duas partes.

Se o CRISPR não conseguisse distinguir
entre DNA bacteriano e viral,

não seria um sistema de defesa muito útil.

Mas a característica
mais incrível do CRISPR

é que a tesoura pode ser
programada para procurar,

ligar e cortar

apenas uma sequência específica de DNA.

Quando uma bactéria encontra
um vírus pela primeira vez,

ela pode armazenar um pequeno
trecho do DNA desse vírus

para ser usado como um programa
para direcionar a tesoura CRISPR

e cortar essa sequência de DNA viral
durante uma infecção futura.

Cortar o DNA de um vírus atrapalha
a função do gene viral cortado

e, portanto, interrompe
o ciclo de vida do vírus.

Pesquisadores extraordinários, inclusive
Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna e Feng Zhang

mostraram, há seis anos, como a tesoura
CRISPR poderia ser programada

para cortar sequências de DNA
de nossa escolha,

inclusive sequências em nosso genoma,

em vez das sequências de DNA viral
escolhidas pelas bactérias.

Mas os resultados são,
na verdade, semelhantes.

Cortar uma sequência
de DNA em nosso genoma

também interrompe geralmente
a função do gene cortado,

causando a inclusão e a exclusão
de misturas aleatórias de letras de DNA

no local de corte.

A interrupção de genes pode ser
muito útil para algumas aplicações.

Mas, para a maioria das mutações pontuais
que causam doenças genéticas,

cortar simplesmente o gene que já sofreu
mutação não beneficiará os pacientes,

porque a função desse gene
precisa ser restaurada,

não interrompida ainda mais.

Portanto, cortar esse gene
da hemoglobina que já sofreu mutação

que causa a anemia falciforme

não restaurará a capacidade dos pacientes
de produzir hemácias saudáveis.

Embora, às vezes, possamos introduzir
novas sequências de DNA nas células

para substituir as sequências de DNA
em torno de um local de corte,

esse processo, infelizmente, não funciona
na maioria dos tipos de células,

e os resultados dos genes interrompidos
ainda predominam.

Como muitos cientistas,
sonhei com um futuro

em que poderíamos tratar
ou até mesmo curar

doenças genéticas humanas,

mas vi a falta de uma maneira
de corrigir as mutações pontuais,

que causam a maioria
das doenças genéticas humanas,

como um grande problema a ser superado.

Como sou químico, comecei
a trabalhar com meus alunos

para desenvolver modos de realizar química
diretamente em uma base de DNA individual

e realmente corrigir,
em vez de interromper,

as mutações que causam doenças genéticas.

Os resultados de nosso esforço
são máquinas moleculares

chamadas "editores de base".

Esses editores usam o mecanismo
de busca programável da tesoura CRISPR,

mas, em vez de cortar o DNA,

convertem diretamente uma base em outra
sem desestabilizar o restante do gene.

Se pensarmos em proteínas CRISPR existindo
naturalmente como tesouras moleculares,

podemos pensar em editores
de base como lápis,

capazes de reescrever diretamente
uma letra de DNA em outra,

reorganizando os átomos de uma base de DNA

para, em vez disso,
se tornar uma base diferente.

Editores de base não existem na natureza.

Na verdade, projetamos o primeiro
editor de base, mostrado aqui,

a partir de três proteínas separadas
que nem sequer vêm do mesmo organismo.

Começamos pegando tesouras CRISPR
e desativando a capacidade de cortar DNA,

mas mantendo sua capacidade de procurar
e ligar uma sequência de DNA alvo

de uma maneira programada.

A essas tesouras CRISPR alteradas,
mostradas em azul,

anexamos uma segunda proteína em vermelho,

que realiza uma reação química
na base C do DNA,

convertendo-a em uma base
que se comporta como T.

Terceiro, tivemos que anexar
às duas primeiras proteínas

a proteína mostrada em roxo,

que evita que a base editada
seja removida pela célula.

O resultado final é uma proteína
projetada de três partes

que, pela primeira vez,
nos permite converter Cs em Ts

em locais especificados no genoma.

Mas, mesmo nesse ponto, nosso trabalho
estava apenas na metade,

porque, para ser estável nas células,

os dois filamentos de uma dupla hélice
de DNA têm que formar pares de bases.

Como C faz par apenas com G,

e T só faz par com A,

a simples mudança de um C para um T,
num filamento de DNA,

cria uma incompatibilidade,

um desacordo entre os dois
filamentos de DNA

que a célula tem que resolver
decidindo qual filamento substituir.

Percebemos que poderíamos, além disso,
projetar essa proteína de três partes

para sinalizar o filamento não editado
como o que seria substituído

pelo corte desse filamento.

Esse pequeno corte engana a célula

para substituir o G não editado por um A,

uma vez que recria o filamento cortado,

completando assim a conversão
do que costumava ser um par de bases C-G

em um par de bases T-A estável.

Após vários anos de trabalho árduo

liderado por uma das pós-doutorandas
do laboratório, Alexis Komor,

conseguimos desenvolver
essa primeira classe de editor de base,

que converte Cs em Ts, e Gs em As,

em posições específicas de nossa escolha.

Entre as mais de 35 mil mutações pontuais
conhecidas associadas a doenças,

os dois tipos de mutações que esse
primeiro editor de base pode reverter

são juntos responsáveis por cerca de 14%

ou 5 mil ou mais mutações
pontuais patogênicas.

Mas a correção da maior fração de mutações
pontuais causadoras de doenças

exigiria o desenvolvimento
de uma segunda classe de editor de base,

uma que pudesse converter
As em Gs, ou Ts em Cs.

Liderados por Nicole Gaudelli,
outra pós-doutoranda do laboratório,

começamos a desenvolver
essa segunda classe de editor de base,

que, em teoria, poderia corrigir

até quase a metade
das mutações pontuais patogênicas,

inclusive a mutação que causa progéria,
a doença do envelhecimento rápido.

Percebemos que poderíamos
pegar emprestado, mais uma vez,

o mecanismo de direcionamento
da tesoura CRISPR

para trazer o novo editor de base
para o local certo em um genoma.

Mas rapidamente encontramos
um problema incrível:

não há uma proteína conhecida
que converta A em G, ou T em C, no DNA.

Diante de um obstáculo tão sério,

a maioria dos alunos
talvez procuraria outro projeto,

se não outro orientador de pesquisa.

(Risos)

Mas Nicole concordou
em prosseguir com um plano

que parecia muito ambicioso na época.

Dada a ausência de uma proteína natural
que realiza a química necessária,

decidimos desenvolver nossa própria
proteína em laboratório

para converter A em uma base
que se comporta como G,

a partir de uma proteína que realiza
uma química parecida sobre o RNA.

Montamos um sistema de seleção de Darwin,
de sobrevivência do mais apto,

que explorou dezenas de milhões
de variantes de proteínas

e permitiu apenas aquelas variantes raras

que poderiam realizar a química
necessária para sobreviver.

Acabamos com uma proteína mostrada aqui,

a primeira que pode converter A do DNA,

em uma base que se parece com G.

Quando anexamos essa proteína à tesoura
CRISPR desativada, mostrada em azul,

produzimos o segundo editor de base,

que converte As em Gs

e, em seguida, utiliza a mesma
estratégia de corte de filamento

que usamos no primeiro editor de base

para enganar a célula na substituição
do T não editado por um C,

conforme recria o filamento cortado,

completando assim a conversão de um par
de bases A-T em um par de bases G-C.

(Aplausos)

Obrigado.

(Aplausos)

Como cientista acadêmico nos EUA,

não estou acostumado
a ser interrompido por aplausos.

(Risos)

Desenvolvemos essas duas primeiras
classes de editores de base

há apenas três anos e há um ano e meio.

Mas, mesmo nesse breve período,

a edição de base tornou-se
amplamente usada

pela comunidade de pesquisa biomédica.

Editores de base foram enviados
mais de 6 mil vezes

a pedido de mais de mil
pesquisadores em todo o mundo.

Cem trabalhos de pesquisa científica
já foram publicados,

usando editores de base em organismos
que variam de bactérias

a plantas, ratos e primatas.

Embora os editores sejam muito novos

para já terem entrado
em ensaios clínicos com seres humanos,

cientistas conseguiram alcançar
um marco decisivo rumo a esse objetivo

usando editores de base em animais

para corrigir mutações pontuais
que causam doenças genéticas humanas.

Por exemplo,

uma equipe colaborativa de cientistas
liderada por Luke Koblan e Jon Levy,

dois dos alunos do meu laboratório,

usaram recentemente um vírus
para distribuir o segundo editor de base

em um camundongo com progéria,

mudando de volta o T
causador de doença para um C

e revertendo suas consequências
nos níveis de DNA, RNA e proteína.

Editores de base também
têm sido usados em animais

para reverter as consequências
de tirosinemia,

beta-talassemia,

distrofia muscular,

fenilcetonúria,

uma surdez congênita

e um tipo de doença cardiovascular,

em cada caso, pela correção direta
de uma mutação pontual

que causa a doença ou contribui para ela.

Nas plantas, editores de base
têm sido usados

para introduzir mudanças individuais
de uma única letra de DNA

que podem levar a melhores colheitas.

Os biólogos têm usado editores de base

para investigar o papel
de letras individuais

em genes associados
a doenças como o câncer.

Duas empresas que cofundei,
a Beam Therapeutics e a Pairwise Plants,

estão usando edição de base
para tratar doenças genéticas humanas

e aperfeiçoar a agricultura.

Todas essas aplicações de edição de base
ocorreram em menos de três anos,

o que, na escala de tempo
histórica da ciência,

seria um piscar de olhos.

Há mais trabalho pela frente

antes que a edição de base
possa concretizar todo o seu potencial

para melhorar a vida de pacientes
com doenças genéticas.

Embora muitas dessas doenças
sejam consideradas tratáveis

pela correção da mutação subjacente,

mesmo em uma fração modesta
de células de um órgão,

a distribuição de máquinas moleculares
como editores de base

em células de um ser humano
pode ser desafiadora.

A escolha de vírus da natureza
para distribuir editores de base,

em vez das moléculas
que causam um resfriado,

é uma das várias estratégias
promissoras de distribuição

que tem sido usada com sucesso.

Continuar a desenvolver
novas máquinas moleculares

que possam tornar todos os modos restantes
de converter um par de bases em outro

e minimizar a edição indesejada
em locais fora do alvo nas células

é muito importante.

E envolver-se com outros cientistas,
médicos, eticistas e governos,

para maximizar a probabilidade
de que a edição de base seja aplicada

de modo ponderado, seguro e ético,

continua sendo uma obrigação
muito importante.

Apesar desses desafios,

se alguém me tivesse dito,
há apenas cinco anos,

que pesquisadores ao redor do mundo

usariam máquinas moleculares
desenvolvidas em laboratório

para converter diretamente
um par de bases individual em outro par

em um local específico do genoma humano,

de forma eficaz e com um mínimo
de outros resultados,

eu teria perguntado:

"Que romance de ficção científica
você está lendo?"

Graças a um grupo de alunos
continuamente dedicados,

criativos o suficiente para construir
o que nós mesmos poderíamos projetar

e corajosos o bastante para desenvolver
o que não conseguíssemos,

a edição de base começou a transformar
essa aspiração de ficção científica

em uma nova realidade empolgante,

na qual o presente mais importante
que damos aos nossos filhos

não são apenas 3 bilhões de letras de DNA,

mas também os meios
para protegê-las e repará-las.

Obrigado.

(Aplausos)