Putem vindeca bolile genetice prin rescrierea ADN-ului?

Într-o poveste a unei descoperiri științifice, biologul chimist David R. Liu împărtășește o descoperire: dezvoltarea în laboratorul său a editorilor de bază care pot rescrie ADN-ul. Acest pas crucial în editarea genomului duce promisiunea CRISPR la nivelul următor: dacă proteinele CRISPR sunt foarfeci moleculari programați să taie secvențe specifice de ADN, atunci editorii de bază sunt creioane, capabile să rescrie direct o literă ADN în alta. Aflați mai multe despre modul în care funcționează aceste mașinării moleculare - și despre potențialul lor de a trata sau chiar de a vindeca bolile genetice.

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!