Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | David R. Liu

Translator: Adrian Regueira-Lopez Reviewer: Serv. de Norm. Lingüística U. de Santiago de Compostela

The most important gift your mother and father ever gave you

O agasallo máis importante que os nosos pais nos deron nunca

was the two sets of three billion letters of DNA

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

that make up your genome.

que conforman o noso xenoma.

But like anything with three billion components,

Pero coma todo aquilo con tres mil millóns de partes,

that gift is fragile.

ese agasallo é fráxil.

Sunlight, smoking, unhealthy eating,

A luz solar, fumar, unha alimentación pouco saudable,

even spontaneous mistakes made by your cells,

mesmo erros espontáneos cometidos polas nosas células,

all cause changes to your genome.

provocan cambios no noso xenoma.

The most common kind of change in DNA

A alteración máis común que se dá no ADN

is the simple swap of one letter, or base, such as C,

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

with a different letter, such as T, G or A.

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

In any day, the cells in your body will collectively accumulate

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

billions of these single-letter swaps, which are also called "point mutations."

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

Now, most of these point mutations are harmless.

A maioría destas mutacións puntuais son inofensivas.

But every now and then,

Mais de cando en cando,

a point mutation disrupts an important capability in a cell

unha mutación puntual pode alterar unha función importante nunha célula

or causes a cell to misbehave in harmful ways.

ou facer que unha célula actúe de maneira nociva.

If that mutation were inherited from your parents

Se esta mutación a herdamos dos nosos pais

or occurred early enough in your development,

ou ocorre nunha etapa temperá do noso desenvolvemento,

then the result would be that many or all of your cells

acabaría resultando que moitas ou todas as nosas células

contain this harmful mutation.

terían esta mutación prexudicial.

And then you would be one of hundreds of millions of people

Pois daquela seriamos unha deses centos de millóns de persoas

with a genetic disease,

cunha enfermidade xenética,

such as sickle cell anemia or progeria

como a anemia falciforme, a proxeria,

or muscular dystrophy or Tay-Sachs disease.

a distrofia muscular ou a enfermidade de Tay-Sachs.

Grievous genetic diseases caused by point mutations

Estas graves enfermidades xenéticas causadas por mutacións puntuais

are especially frustrating,

son especialmente frustrantes,

because we often know the exact single-letter change

xa que moitas veces coñecemos o cambio de letra exacto

that causes the disease and, in theory, could cure the disease.

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

Millions suffer from sickle cell anemia

Millóns de persoas padecen anemia falciforme

because they have a single A to T point mutations

por presentaren unha mutación puntual de A a T

in both copies of their hemoglobin gene.

en ambas as copias do xene da hemoglobina.

And children with progeria are born with a T

E os nenos con proxeria nacen cun T

at a single position in their genome

nunha única posición no seu xenoma

where you have a C,

onde deberían ter un C,

with the devastating consequence that these wonderful, bright kids

con consecuencias devastadoras para estes marabillosos e brillantes nenos

age very rapidly and pass away by about age 14.

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

Throughout the history of medicine,

Ao longo da historia da medicina

we have not had a way to efficiently correct point mutations

nunca tivemos unha forma eficiente de corrixir mutacións puntuais

in living systems,

en seres vivos,

to change that disease-causing T back into a C.

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

Perhaps until now.

Se cadra ata agora.

Because my laboratory recently succeeded in developing such a capability,

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

which we call "base editing."

que chamamos "edición de bases".

A historia de como desenvolvemos a edición de bases

The story of how we developed base editing

actually begins three billion years ago.

remóntase a hai uns 3.000 millóns de anos.

We think of bacteria as sources of infection,

Concibimos as bacterias coma focos de infección,

but bacteria themselves are also prone to being infected,

mais as propias bacterias tamén son propensas a seren infectadas,

in particular, by viruses.

especialmente por virus.

So about three billion years ago,

Así que hai uns 3.000 mil millóns de anos,

bacteria evolved a defense mechanism to fight viral infection.

as bacterias desenvolveron un mecanismo para combater as infeccións virais.

That defense mechanism is now better known as CRISPR.

Ese mecanismo de defensa é hoxe coñecido como CRISPR.

And the warhead in CRISPR is this purple protein

E a parte esencial do CRISPR é esta proteína violeta

that acts like molecular scissors to cut DNA,

que actúa coma unhas tesoiras moleculares, cortando o ADN

breaking the double helix into two pieces.

e rompendo a dobre hélice en dúas partes.

If CRISPR couldn't distinguish between bacterial and viral DNA,

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

it wouldn't be a very useful defense system.

non sería un sistema de defensa moi útil.

But the most amazing feature of CRISPR

Pero a característica máis asombrosa do CRISPR

is that the scissors can be programmed to search for,

é que as tesoiras poden programarse para buscar,

bind to and cut

unirse e cortar

only a specific DNA sequence.

unicamente unha secuencia específica do ADN.

So when a bacterium encounters a virus for the first time,

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

it can store a small snippet of that virus's DNA

pode almacenar un pequeno fragmento do ADN dese virus,

for use as a program to direct the CRISPR scissors

para usalo despois como un programa para dirixir as tesoiras CRISPR

to cut that viral DNA sequence during a future infection.

e cortar esa secuencia do ADN viral nunha infección futura.

Cutting a virus's DNA messes up the function of the cut viral gene,

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

and therefore disrupts the virus's life cycle.

e interrompe consecuentemente o ciclo de vida do virus.

Remarkable researchers including Emmanuelle Charpentier, George Church,

Investigadores destacados como Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna and Feng Zhang

Jennifer Doudna e Feng Zhang

showed six years ago how CRISPR scissors could be programmed

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

to cut DNA sequences of our choosing,

para cortar secuencias de ADN seleccionadas por nós,

including sequences in your genome,

mesmo secuencias do noso xenoma,

instead of the viral DNA sequences chosen by bacteria.

no canto das secuencias de ADN viral escollidas polas bacterias.

But the outcomes are actually similar.

Mais os resultados son, en efecto, similares.

Cutting a DNA sequence in your genome

Cortar as secuencias de ADN do noso xenoma

also disrupts the function of the cut gene, typically,

tamén afecta a función do xene cortado,

by causing the insertion and deletion of random mixtures of DNA letters

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

at the cut site.

no lugar do corte.

Now, disrupting genes can be very useful for some applications.

Alterar os xenes pode ser moi útil para algunhas aplicacións.

But for most point mutations that cause genetic diseases,

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

simply cutting the already-mutated gene won't benefit patients,

só cortar o xene xa mutado non beneficia os pacientes,

because the function of the mutated gene needs to be restored,

xa que hai que restaurar a función do xene mutado,

not further disrupted.

non alterala máis aínda.

So cutting this already-mutated hemoglobin gene

Así, cortar o xene xa mutado da hemoglobina

that causes sickle cell anemia

que causa a anemia falciforme

won't restore the ability of patients to make healthy red blood cells.

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

And while we can sometimes introduce new DNA sequences into cells

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

to replace the DNA sequences surrounding a cut site,

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

that process, unfortunately, doesn't work in most types of cells,

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

and the disrupted gene outcomes still predominate.

e os efectos do xene alterado continúan predominando.

Like many scientists, I've dreamed of a future

Coma moitos científicos, eu soño cun futuro

in which we might be able to treat or maybe even cure

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

human genetic diseases.

as enfermidades xenéticas humanas.

But I saw the lack of a way to fix point mutations,

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

which cause most human genetic diseases,

causantes da maioría de enfermidades xenéticas

as a major problem standing in the way.

é un gran atranco que hai que superar.

Being a chemist, I began working with my students

Como químico, comecei a traballar co meu alumnado

to develop ways on performing chemistry directly on an individual DNA base,

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

to truly fix, rather than disrupt, the mutations that cause genetic diseases.

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

The results of our efforts are molecular machines

O resultado do noso traballo son máquinas moleculares

called "base editors."

chamadas "editores de bases".

Base editors use the programmable searching mechanism of CRISPR scissors,

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

but instead of cutting the DNA,

mais no canto de cortar o ADN,

they directly convert one base to another base

converten directamente unha base noutra

without disrupting the rest of the gene.

sen alterar o resto do xene.

So if you think of naturally occurring CRISPR proteins as molecular scissors,

Se concibimos as proteínas naturais das CRISPR coma tesoiras moleculares,

you can think of base editors as pencils,

podemos considerar os editores de bases como lapis

capable of directly rewriting one DNA letter into another

capaces de substituír unha letra de ADN por outra

by actually rearranging the atoms of one DNA base

ao reorganizar os átomos dunha base de ADN

to instead become a different base.

e convertela así nunha base diferente.

Now, base editors don't exist in nature.

Os editores de bases non existen na natureza.

In fact, we engineered the first base editor, shown here,

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

from three separate proteins

a partir de tres proteínas

that don't even come from the same organism.

que nin sequera proveñen do mesmo organismo.

We started by taking CRISPR scissors and disabling the ability to cut DNA

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

while retaining its ability to search for and bind a target DNA sequence

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

in a programmed manner.

de forma programable.

To those disabled CRISPR scissors, shown in blue,

Ás tesoiras CRISPR desactivadas, que se ven en azul,

we attached a second protein in red,

unímoslles unha segunda proteína, en vermello,

which performs a chemical reaction on the DNA base C,

que produce unha reacción química na base C do ADN

converting it into a base that behaves like T.

e a converte nunha base que se comporta coma T.

Third, we had to attach to the first two proteins

Terceiro, tivemos que unirlles ás dúas primeiras proteínas

the protein shown in purple,

a proteína de cor violeta

which protects the edited base from being removed by the cell.

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

The net result is an engineered three-part protein

O resultado é unha proteína artificial de tres partes

that for the first time allows us to convert Cs into Ts

que por primeira vez nos permite converter C en T

at specified locations in the genome.

en lugares específicos do xenoma.

But even at this point, our work was only half done.

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

Because in order to be stable in cells,

xa que para poderen permanecer estables nas células,

the two strands of a DNA double helix have to form base pairs.

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

And because C only pairs with G,

E como C soamente se emparella con G

and T only pairs with A,

e T só se une a A,

simply changing a C to a T on one DNA strand creates a mismatch,

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

a disagreement between the two DNA strands

unha incongruencia entre as dúas cadeas de ADN

that the cell has to resolve by deciding which strand to replace.

que a célula debe resolver decidindo que cadea substituír.

We realized that we could further engineer this three-part protein

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

to flag the nonedited strand as the one to be replaced

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

by nicking that strand.

facéndolle una pequena incisión.

This little nick tricks the cell

Esta pequena incisión engana a célula

into replacing the nonedited G with an A

para que cambie o G non editado por un A

as it remakes the nicked strand,

mentres refai a cadea marcada,

thereby completing the conversion of what used to be a C-G base pair

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

into a stable T-A base pair.

por un par estable T-A.

After several years of hard work

Despois de anos de duro traballo

led by a former post doc in the lab, Alexis Komor,

dirixido polo antigo posdoutorado do laboratorio, Alexis Komor,

we succeeded in developing this first class of base editor,

conseguimos desenvolver esta primeira clase de editor de bases

which converts Cs into Ts and Gs into As

que converte C en T e G en A

at targeted positions of our choosing.

en posicións específicas da nosa elección.

Among the more than 35,000 known disease-associated point mutations,

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

the two kinds of mutations that this first base editor can reverse

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

collectively account for about 14 percent or 5,000 or so pathogenic point mutations.

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

But correcting the largest fraction of disease-causing point mutations

Pero para corrixir a maioría das mutacións puntuais causantes de enfermidades

would require developing a second class of base editor,

necesitariamos desenvolver unha segunda clase de editor de bases

one that could convert As into Gs or Ts into Cs.

capaz de converter A en G ou T en C.

Led by Nicole Gaudelli, a former post doc in the lab,

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

we set out to develop this second class of base editor,

dispuxémonos a desenvolver este segundo editor de bases

which, in theory, could correct up to almost half of pathogenic point mutations,

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

including that mutation that causes the rapid-aging disease progeria.

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

We realized that we could borrow, once again,

Descubrimos que podiamos empregar, unha vez máis,

the targeting mechanism of CRISPR scissors

os mecanismos de busca das tesoiras CRISPR

to bring the new base editor to the right site in a genome.

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

But we quickly encountered an incredible problem;

Pero rapidamente nos atopamos cun gran problema:

namely, there is no protein

non se coñece ningunha proteína

that's known to convert A into G or T into C

que converta A en G nin T en C

in DNA.

no ADN.

Faced with such a serious stumbling block,

Ao enfrontarse a un escollo tan grave,

most students would probably look for another project,

moitos estudantes seguramente buscarían outro proxecto

if not another research advisor.

e se cadra ata outro director.

(Laughter)

(Risas)

But Nicole agreed to proceed with a plan

Pero Nicole decidiu proceder cun plan

that seemed wildly ambitious at the time.

que daquela parecía extremadamente ambicioso.

Given the absence of a naturally occurring protein

Dada a inexistencia dunha proteína natural

that performs the necessary chemistry,

que realizase o proceso químico necesario,

we decided we would evolve our own protein in the laboratory

acordamos desenvolver a nosa propia proteína no laboratorio

to convert A into a base that behaves like G,

para converter A nunha base que se comportase como G,

starting from a protein that performs related chemistry on RNA.

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

We set up a Darwinian survival-of-the-fittest selection system

Montamos un sistema darwiniano de selección de supervivencia do máis apto

that explored tens of millions of protein variants

que explorou decenas de millóns de variantes proteicas

and only allowed those rare variants

e só permitiu a supervivencia das variantes

that could perform the necessary chemistry to survive.

capaces de realizar os procesos químicos necesarios.

We ended up with a protein shown here,

O resultado foi unha proteína, mostrada aquí,

the first that can convert A in DNA

a primeira capaz de converter o A do ADN

into a base that resembles G.

nunha base que se asemella ao G.

And when we attached that protein

E ao anexarmos esta proteína

to the disabled CRISPR scissors, shown in blue,

ás tesoiras CRISPR deshabilitadas, mostradas en azul,

we produced the second base editor,

producimos o segundo editor de bases

which converts As into Gs,

que converte A en G

and then uses the same strand-nicking strategy

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

that we used in the first base editor

que usamos co primeiro editor de bases

to trick the cell into replacing the nonedited T with a C

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

as it remakes that nicked strand,

mentres refai esa cadea marcada,

thereby completing the conversion of an A-T base pair to a G-C base pair.

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

(Applause)

(Aplausos)

Thank you.

Grazas.

(Applause)

(Aplausos)

As an academic scientist in the US,

Como científico e académico nos EE.UU,

I'm not used to being interrupted by applause.

non adoito ser interrompido por aplausos.

(Laughter)

(Risas)

We developed these first two classes of base editors

Desenvolvemos estas primeiras dúas clases de editores de bases

only three years ago and one and a half years ago.

hai tan só tres anos e un ano e medio.

But even in that short time,

Mais incluso nese breve período,

base editing has become widely used by the biomedical research community.

a edición de bases popularizouse entre a comunidade de investigación biomédica

Base editors have been sent more than 6,000 times

Os editores de bases enviáronse máis de 6.000 veces

at the request of more than 1,000 researchers around the globe.

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

A hundred scientific research papers have been published already,

Xa hai máis de cen artigos de investigación científica publicados

using base editors in organisms ranging from bacteria

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

to plants to mice to primates.

a plantas, ratos e primates.

While base editors are too new

Se ben os editores de bases son demasiado recentes

to have already entered human clinical trials,

para formaren parte de ensaios clínicos humanos,

scientists have succeeded in achieving a critical milestone towards that goal

os científicos están a realizar avances decisivos nesa dirección

by using base editors in animals

ao usaren editores de bases en animais

to correct point mutations that cause human genetic diseases.

para corrixir mutacións puntuais que causan enfermidades xenéticas humanas.

For example,

Por exemplo,

a collaborative team of scientists led by Luke Koblan and Jon Levy,

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

two additional students in my lab,

outros dous estudantes do meu laboratorio,

recently used a virus to deliver that second base editor

empregaron recentemente un virus para inserir o segundo editor de bases

into a mouse with progeria,

nun rato con proxeria,

changing that disease-causing T back into a C

cambiando así o T causante da enfermidade por un C

and reversing its consequences at the DNA, RNA and protein levels.

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

Base editors have also been used in animals

Os editores de bases tamén se usaron en animais

to reverse the consequence of tyrosinemia,

para reverter as consecuencias da tirosinemia,

beta thalassemia, muscular dystrophy,

a talasemia beta, a distrofia muscular,

phenylketonuria, a congenital deafness

a fenilcetonuria, un tipo de xordeira conxénita

and a type of cardiovascular disease --

e un tipo de enfermidade cardiovascular.

in each case, by directly correcting a point mutation

En todos os casos, fíxose corrixindo directamente a mutación puntual

that causes or contributes to the disease.

que causa ou contribúe á enfermidade.

In plants, base editors have been used

En plantas, os editores de bases usáronse

to introduce individual single DNA letter changes

para introducir cambios nunha letra individual do ADN

that could lead to better crops.

e así conseguir mellores cultivos.

And biologists have used base editors to probe the role of individual letters

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

in genes associated with diseases such as cancer.

en xenes asociados a enfermidades coma o cancro.

Two companies I cofounded, Beam Therapeutics and Pairwise Plants,

Dúas empresas que cofundei, Beam Therapeutics e Pairwise Plants,

are using base editing to treat human genetic diseases

usan actualmente a edición de bases para tratar enfermidades xenéticas humanas

and to improve agriculture.

e para mellorar a agricultura.

All of these applications of base editing

Todas estas aplicacións da edición de bases

have taken place in less than the past three years:

desenvolvéronse en menos de tres anos.

on the historical timescale of science,

Na escala temporal da ciencia,

the blink of an eye.

iso é un abrir e pechar de ollos.

Additional work lies ahead

Aínda queda moito traballo

before base editing can realize its full potential

para que a edición de bases alcance o seu máximo potencial

to improve the lives of patients with genetic diseases.

para mellorar a vida dos pacientes con enfermidades xenéticas.

While many of these diseases are thought to be treatable

Malia crer que moitas destas enfermidades poden tratarse

by correcting the underlying mutation

corrixindo a mutación subxacente

in even a modest fraction of cells in an organ,

en polo menos unha pequena fracción das células dun órgano,

delivering molecular machines like base editors

introducir máquinas moleculares coma os editores de bases

into cells in a human being

en células humanas

can be challenging.

pode ser todo un reto.

Co-opting nature's viruses to deliver base editors

Facer uso dos virus naturais para inserir editores de bases

instead of the molecules that give you a cold

no lugar das moléculas que causan o catarro

is one of several promising delivery strategies

é unha das varias estratexias prometedoras

that's been successfully used.

que se están a empregar con éxito.

Continuing to develop new molecular machines

Continuar desenvolvendo novas máquinas moleculares

that can make all of the remaining ways

que consigan realizar o resto de formas

to convert one base pair to another base pair

de conversión de pares de bases,

and that minimize unwanted editing at off-target locations in cells

e que minimicen as edicións non desexadas noutros lugares das células

is very important.

é moi importante.

And engaging with other scientists, doctors, ethicists and governments

E colaborar con outros científicos, doutores, eticistas e gobernos

to maximize the likelihood that base editing is applied thoughtfully,

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

safely and ethically,

segura e ética,

remains a critical obligation.

continúa sendo unha obrigación elemental.

These challenges notwithstanding,

A pesar destes retos,

if you had told me even just five years ago

se me dixeran hai tan só cinco anos

that researchers around the globe

que investigadores de todo o mundo

would be using laboratory-evolved molecular machines

empregarían máquinas moleculares desenvolvidas en laboratorios

to directly convert an individual base pair

para converter de forma directa un par de bases

to another base pair

noutro par

at a specified location in the human genome

en lugares específicos do xenoma humano

efficiently and with a minimum of other outcomes,

de forma eficiente e con efectos secundarios mínimos,

I would have asked you,

preguntaríalles:

"What science-fiction novel are you reading?"

"Que novela de ciencia ficción están lendo?"

Thanks to a relentlessly dedicated group of students

Grazas a un dedicado e incansable grupo de estudantes

who were creative enough to engineer what we could design ourselves

que foron tan creativos que puideron construír o que nós deseñamos

and brave enough to evolve what we couldn't,

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

base editing has begun to transform that science-fiction-like aspiration

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

into an exciting new reality,

nunha emocionante realidade,

one in which the most important gift we give our children

onde o agasallo máis importante que lles pasamos aos nosos fillos

may not only be three billion letters of DNA,

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

but also the means to protect and repair them.

senón tamén os medios para protexelas e arranxalas.

Thank you.

Grazas.

(Applause)

(Aplausos)

Thank you.