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

Traduttore: Nicoletta Pedrana Revisore: Silvia Allone

The most important gift your mother and father ever gave you

Il dono più importante che i vostri genitori vi abbiano mai fatto

was the two sets of three billion letters of DNA

sono le due coppie di tre miliardi di codice del DNA

that make up your genome.

che formano il vostro genoma.

But like anything with three billion components,

Ma come qualsiasi cosa formata da tre miliardi di componenti

that gift is fragile.

è un dono molto fragile.

Sunlight, smoking, unhealthy eating,

Il sole, il fumo, il cibo non sano,

even spontaneous mistakes made by your cells,

anche gli errori naturali che fanno le vostre cellule,

all cause changes to your genome.

tutto questo provoca cambiamenti al genoma.

The most common kind of change in DNA

Il cambiamento più comune del DNA

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

è la semplice inversione di una lettera, o base, come la C,

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

con un'altra lettera, come la T, G o A.

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

Ogni giorno le cellule del vostro corpo effettuano

miliardi di questi scambi di lettere chiamati "mutazioni puntiformi".

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

Now, most of these point mutations are harmless.

La maggior parte di queste mutazioni sono benigne.

But every now and then,

Ma ogni tanto, una mutazione puntiforme interrompe

a point mutation disrupts an important capability in a cell

una funzione importante di una cellula

or causes a cell to misbehave in harmful ways.

o causa un comportamento anomalo della cellula stessa.

If that mutation were inherited from your parents

Se la mutazione vi è stata tramandata dai vostri genitori

or occurred early enough in your development,

o è avvenuta nella fase iniziale del vostro sviluppo,

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

il risultato è che molte o tutte le vostre cellule

contain this harmful mutation.

conterranno questo mutamento maligno.

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

E voi sareste una delle centinaia di milioni di persone

with a genetic disease,

con una malattia genetica, come l'anemia falciforme o la progeria,

such as sickle cell anemia or progeria

or muscular dystrophy or Tay-Sachs disease.

o la distrofia muscolare, o la malattia di Tay-Sachs.

Grievous genetic diseases caused by point mutations

Queste gravissime malattie genetiche causate da mutazioni puntiformi

are especially frustrating,

sono particolarmente frustranti,

because we often know the exact single-letter change

perché spesso sappiamo qual è esattamente la modifica della lettera

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

che causa la malattia e che, in teoria, potrebbe curarla.

Millions suffer from sickle cell anemia

Milioni di persone soffrono di anemia falciforme

because they have a single A to T point mutations

perché hanno una sola mutazione puntiforme da A a T

in both copies of their hemoglobin gene.

nelle loro coppie di geni di emoglobina.

And children with progeria are born with a T

I bambini affetti da progeria sono nati con una T

at a single position in their genome

in una precisa posizione del loro genoma

where you have a C,

dove dovrebbe trovarsi una lettera C,

with the devastating consequence that these wonderful, bright kids

con la conseguenza devastante che questi ragazzi incredibili e brillanti

age very rapidly and pass away by about age 14.

invecchiano molto rapidamente e muoiono verso i 14 anni.

Throughout the history of medicine,

Nella storia della medicina non abbiamo mai avuto modo

we have not had a way to efficiently correct point mutations

di correggere le mutazioni puntiformi in sistemi viventi,

in living systems,

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

per variare la lettera da T, causa della malattia, in C.

Perhaps until now.

Fino ad ora, forse.

Because my laboratory recently succeeded in developing such a capability,

Infatti il mio laboratorio recentemente è riuscito a sviluppare questa capacità

which we call "base editing."

che noi chiamiamo "editing di basi".

The story of how we developed base editing

La storia di come abbiamo sviluppato l'editing di basi

actually begins three billion years ago.

di fatto inizia tre miliardi di anni fa.

We think of bacteria as sources of infection,

Consideriamo i batteri come fonte di infezioni,

but bacteria themselves are also prone to being infected,

ma anche gli stessi batteri vengono infettati,

in particular, by viruses.

in particolare dai virus.

So about three billion years ago,

Per cui circa tre miliardi di anni fa,

bacteria evolved a defense mechanism to fight viral infection.

i batteri hanno sviluppato un meccanismo di difesa per combattere le infezioni.

That defense mechanism is now better known as CRISPR.

Quel meccanismo di difesa è meglio conosciuto come CRISPR.

And the warhead in CRISPR is this purple protein

La testata del CRISPR è questa proteina in viola

that acts like molecular scissors to cut DNA,

che agisce come forbice molecolare per tagliare il DNA,

breaking the double helix into two pieces.

rompendo in due la doppia elica del DNA.

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

Se il CRISPR non riuscisse a distinguere tra DNA di batteri e di virus

it wouldn't be a very useful defense system.

non sarebbe un sistema di difesa efficace.

But the most amazing feature of CRISPR

Ma la funzionalità più incredibile del CRISPR

is that the scissors can be programmed to search for,

è che le forbici possono essere programmate per cercare,

bind to and cut

legarsi e tagliare soltanto una specifica sequenza di DNA.

only a specific DNA sequence.

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

Così quando un batterio incontra un virus per la prima volta,

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

può conservare un piccolo frammento di DNA di quel virus

for use as a program to direct the CRISPR scissors

usandolo per programmare le forbici del CRISPR

to cut that viral DNA sequence during a future infection.

a tagliare quella sequenza di DNA in caso di infezione.

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

Tagliare il DNA del virus danneggia le funzioni del gene virale stesso

and therefore disrupts the virus's life cycle.

e interrompe di conseguenza il ciclo vitale del virus.

Remarkable researchers including Emmanuelle Charpentier, George Church,

Ricercatori importanti quali

Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna and Feng Zhang

Jennifer Doudna e Feng Zhang

showed six years ago how CRISPR scissors could be programmed

sei anni fa hanno dimostrato come le forbici CRISPR possono essere programmate

to cut DNA sequences of our choosing,

per tagliare le sequenze di DNA da noi selezionate,

including sequences in your genome,

comprese le sequenze del vostro genoma,

instead of the viral DNA sequences chosen by bacteria.

al posto delle sequenze del DNA del virus selezionate dai batteri.

But the outcomes are actually similar.

I risultati sono del tutto simili.

Cutting a DNA sequence in your genome

Anche tagliare una sequenza di DNA del vostro genoma

also disrupts the function of the cut gene, typically,

interrompe la funzione del gene tagliato, generalmente,

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

causando l'inserimento o la cancellazione

di lettere di DNA a caso nel punto del taglio.

at the cut site.

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

Ora, interrompere i geni può essere molto utile in alcune applicazioni.

But for most point mutations that cause genetic diseases,

Ma per molte mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche,

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

il solo tagliare un gene già mutato, non aiuta i malati,

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

perché la funzione del gene mutato deve essere ripristinata,

not further disrupted.

non interrotta ulteriormente.

So cutting this already-mutated hemoglobin gene

Per cui, tagliare questo gene di emoglobina già mutato

that causes sickle cell anemia

che causa l'anemia falciforme,

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

non ripristina la capacità dei pazienti di generare cellule sanguigne sane.

And while we can sometimes introduce new DNA sequences into cells

Anche se a volte riusciamo a introdurre nuove sequenze di DNA nelle cellule

to replace the DNA sequences surrounding a cut site,

per ripristinare le sequenze di DNA attorno ad un taglio,

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

questo processo, sfortunatamente, non funziona in molti tipi di cellule,

and the disrupted gene outcomes still predominate.

e il gene modificato torna a prendere il sopravvento.

Like many scientists, I've dreamed of a future

Come molti scienziati, ho sognato un futuro

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

in cui saremo in grado di trattare o persino curare

human genetic diseases.

le malattie genetiche dell'uomo.

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

Ma credo che la mancanza di soluzioni per le mutazioni puntiformi,

which cause most human genetic diseases,

che causano la maggior parte di malattie genetiche,

as a major problem standing in the way.

ed è uno dei maggiori ostacoli da superare.

Being a chemist, I began working with my students

Essendo un chimico, ho cominciato a lavorare con i miei studenti

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

per trovare modi di trasformare chimicamente le basi del DNA,

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

per aggiustare, più che interrompere,

le mutazioni che causano malattie genetici.

The results of our efforts are molecular machines

I risultati dei nostri sforzi sono macchine molecolari

called "base editors."

chiamate "editor di basi".

Base editors use the programmable searching mechanism of CRISPR scissors,

Gli editor di basi usano il meccanismo programmabile delle forbici CRISPR,

but instead of cutting the DNA,

ma al posto di tagliare il DNA,

they directly convert one base to another base

trasformano direttamente una base in un'altra base

without disrupting the rest of the gene.

senza interrompere il resto del gene.

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

Quindi, se pensate alle proteine CRISPR

che agiscono come forbici molecolari,

you can think of base editors as pencils,

potete pensare agli editor di basi come matite,

capable of directly rewriting one DNA letter into another

capaci di riscrivere direttamente una lettera di DNA sull'altra

by actually rearranging the atoms of one DNA base

di fatto riorganizzando gli atomi della base di DNA

to instead become a different base.

invece di trasformarli in una base diversa.

Now, base editors don't exist in nature.

Bene, gli editor di basi non esistono in natura.

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

In effetti, abbiamo progettato il primo editor di basi, qui in foto,

from three separate proteins

con tre proteine diverse

that don't even come from the same organism.

che non provengono nemmeno dallo stesso organismo.

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

Abbiamo iniziato con le forbici CRISPR e disabilitato la capacità di tagliare DNA

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

e mantenendo intatta la capacità di ricercare e legare

a una specifica sequenza di DNA in maniera programmata.

in a programmed manner.

To those disabled CRISPR scissors, shown in blue,

Alle forbici CRISPR disabilitate, in blu,

we attached a second protein in red,

abbiamo legato una seconda proteina, in rosso,

which performs a chemical reaction on the DNA base C,

che attua una reazione chimica sul DNA di base C,

converting it into a base that behaves like T.

modificandolo con una base che agisce come T.

Third, we had to attach to the first two proteins

Terzo, abbiamo dovuto legare alle due proteine

the protein shown in purple,

la proteina mostrata in viola,

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

che protegge la base modificata dall'essere eliminata dalla cellula.

The net result is an engineered three-part protein

Il risultato è una proteina ingegnerizzata a tre componenti

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

che , per la prima volta ci permette di convertire le C in T

at specified locations in the genome.

in punti specifici del genoma.

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

Ma anche a questo punto, il nostro lavoro era solo a metà strada.

Because in order to be stable in cells,

Perché, per essere stabile nelle cellule,

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

i due filamenti di DNA a doppia elica devono formare coppie di basi.

And because C only pairs with G,

E, dal momento che le C si accoppiano unicamente con le G,

and T only pairs with A,

e le T si accoppiano con le A,

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

cambiare semplicemente le C con le T su un filamento di DNA

crea sfasamento,

a disagreement between the two DNA strands

un'incongruenza tra i due filamenti di DNA

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

che le cellule devono risolvere decidendo quale filamento sostituire.

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

Abbiamo capito che era possibile modificare ulteriormente

questa proteina a tre

to flag the nonedited strand as the one to be replaced

per marcare il filamento non modificato per la sostituzione

by nicking that strand.

sottraendogli il filamento.

This little nick tricks the cell

Questo piccolo trucco inganna la cellula

into replacing the nonedited G with an A

che rimpiazza la G non modificata con una A

as it remakes the nicked strand,

ricostruendo il filamento,

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

e completando la conversione definitiva di quella che era una base C-G

into a stable T-A base pair.

in una coppia T-A stabile.

After several years of hard work

Dopo molti anni di duro lavoro,

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

diretto da uno dei post-doc del laboratorio, Alexis Comor,

we succeeded in developing this first class of base editor,

siamo riusciti a sviluppare il primo gruppo di editor di basi,

which converts Cs into Ts and Gs into As

che convertono le C in T e le G in A

at targeted positions of our choosing.

in punti specifici a nostra scelta.

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

Tra le oltre 35.000 malattie conosciute,

associate a mutazione puntiforme,

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

i due tipi di mutazione che questo primo tipo di editor di basi può modificare

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

ne raggruppa circa il 14 per cento, ovvero circa 5.000 mutazioni patogene.

But correcting the largest fraction of disease-causing point mutations

Ma correggere la maggioranza delle mutazioni che causano malattie

would require developing a second class of base editor,

necessiterebbe lo sviluppo di un altro tipo di editor di basi,

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

un tipo che potrebbe convertire le A in G o le T in C.

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

Diretti da Nicole Gaudelli, un precedente post doc del laboratorio,

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

abbiamo iniziato a sviluppare questa seconda categoria di editor di basi,

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

che in teoria, potrebbe correggere quasi la metà

di tutte le mutazioni patogene,

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

inclusa la mutazione che causa il rapido invecchiamento della progeria.

Ci siamo accorti che potevamo prendere in prestito, ancora una volta,

We realized that we could borrow, once again,

the targeting mechanism of CRISPR scissors

il meccanismo bersaglio delle forbici CRISPR

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

per guidare il nuovo editor di basi nel punto esatto all'interno del gene.

But we quickly encountered an incredible problem;

Ma abbiamo subito incontrato un problema enorme:

namely, there is no protein

non esiste nessuna proteina

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

che sappia convertire le A in G o T in C all'interno del DNA.

in DNA.

Faced with such a serious stumbling block,

Scontrandoci con questo muro,

most students would probably look for another project,

la maggior parte degli studenti avrebbe cercato altri progetti,

if not another research advisor.

o forse un altro supervisore.

(Laughter)

(Risate)

But Nicole agreed to proceed with a plan

Ma Nicole ha accettato di continuare con un piano

that seemed wildly ambitious at the time.

che al momento sembrava estremamente ambizioso.

Given the absence of a naturally occurring protein

Vista la mancanza in natura di queste proteine

that performs the necessary chemistry,

che potevano fare la chimica necessaria, abbiamo deciso

we decided we would evolve our own protein in the laboratory

che potevamo sviluppare in laboratorio la nostra specifica proteina

to convert A into a base that behaves like G,

che potesse convertire una A in una base

che si comportasse come G,

starting from a protein that performs related chemistry on RNA.

prendendo una proteina che attua sul RNA una chimica simile.

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

Abbiamo avviato una selezione darwiniana del più adatto alla vita

that explored tens of millions of protein variants

che esplorasse le decine di milioni di varianti di proteine

and only allowed those rare variants

e che permettesse la sopravvivenza solo alle rare varianti

that could perform the necessary chemistry to survive.

che sapevano mettere in atto quel processo chimico.

We ended up with a protein shown here,

Siamo arrivati a questa proteina,

the first that can convert A in DNA

la prima che riesce a convertire una A del DNA

into a base that resembles G.

in una base che assomiglia ad una G.

And when we attached that protein

Una volta legata questa proteina

to the disabled CRISPR scissors, shown in blue,

alle forbici CRISPS disabilitate, qui in blu,

we produced the second base editor,

abbiamo prodotto il secondo modello di editor di basi,

which converts As into Gs,

che converte le A in G,

and then uses the same strand-nicking strategy

e che poi impiega la stessa tattica di sottrazione

that we used in the first base editor

usata nel primo modello di editor di basi

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

per ingannare le cellule a sostituire la base non modificata T con una C

as it remakes that nicked strand,

quando ricostruisce il filamento sottratto,

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

così portando a termine la conversione completa

della coppia A-T con G-C.

(Applause)

(Applausi)

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applausi)

As an academic scientist in the US,

In qualità di scienziato accademico degli Stati Uniti,

I'm not used to being interrupted by applause.

non sono abituato ad essere interrotto dagli applausi.

(Laughter)

(Risate)

We developed these first two classes of base editors

Abbiamo sviluppato questi due modelli di editor di basi,

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

solo tre anni fa e un anno e mezzo fa.

But even in that short time,

Ma anche se è passato poco tempo,

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

l'editing di basi è già ampliamente usato dalla comunità di ricerca biomedica.

Base editors have been sent more than 6,000 times

Sono stati spediti più di 6000 editor

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

rispondendo alle richieste di oltre 1.000 ricercatori di tutto il mondo.

A hundred scientific research papers have been published already,

Sono già state pubblicate centinaia di ricerche

using base editors in organisms ranging from bacteria

che utilizzano editor di basi in organismi che vanno dai batteri

to plants to mice to primates.

alle piante, ai topi, ai primati.

While base editors are too new

Sebbene gli editor di basi siano troppo recenti

to have already entered human clinical trials,

per entrare nella ricerca umana,

scientists have succeeded in achieving a critical milestone towards that goal

gli scienziati hanno raggiunto una tappa fondamentale verso l'obiettivo

by using base editors in animals

usando editor di basi sugli animali

to correct point mutations that cause human genetic diseases.

per correggere mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche nell'uomo.

For example,

Ad esempio, un team di scienziati diretti da Luke Koblan e Jon Levy,

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

two additional students in my lab,

due altri studenti del mio laboratorio,

recently used a virus to deliver that second base editor

hanno recentemente usato un virus

per inoculare questo secondo tipo di editor

into a mouse with progeria,

in un topo affetto da progeria,

changing that disease-causing T back into a C

mutando la T che provoca la malattia in una C

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

e annullando le conseguenze sul DNA, RNA e proteine.

Base editors have also been used in animals

Gli editor di base sono utilizzati anche sugli animali

to reverse the consequence of tyrosinemia,

per invertire le conseguenze di tirosinemia,

beta thalassemia, muscular dystrophy,

di beta-talassemia, distrofia muscolare,

phenylketonuria, a congenital deafness

fenilchetonuria, una sordità congenita

and a type of cardiovascular disease --

e un tipo di malattia cardiovascolare--

in each case, by directly correcting a point mutation

in tutti i casi, correggendo direttamente una mutazione puntiforme

that causes or contributes to the disease.

che causa o contribuisce alla malattia.

In plants, base editors have been used

Gli editor di basi sono stati impiegati sulle piante

to introduce individual single DNA letter changes

per introdurre cambi di lettere singole sul DNA

that could lead to better crops.

che potessero dare un raccolto migliore.

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

E i biologi hanno usato gli editor di basi per verificare

il ruolo delle singole lettere

in genes associated with diseases such as cancer.

in geni associati a malattie come il cancro.

Two companies I cofounded, Beam Therapeutics and Pairwise Plants,

Le due società che ho creato, Beam Therapeutics e Pairwise Plants,

are using base editing to treat human genetic diseases

usano editor di basi per curare le malattie genetiche dell'uomo

and to improve agriculture.

e per migliorare l'agricoltura.

All of these applications of base editing

Tutte queste applicazioni di editing di basi

have taken place in less than the past three years:

hanno preso piede in meno di tre anni:

on the historical timescale of science,

sulla scala del tempo della scienza,

the blink of an eye.

è un battito di ciglia.

Additional work lies ahead

Davanti a noi c'è altro lavoro

before base editing can realize its full potential

prima che l'editing delle basi possa raggiungere

to improve the lives of patients with genetic diseases.

il suo pieno potenziale

e migliorare la vita di pazienti con malattie genetiche.

While many of these diseases are thought to be treatable

Anche se molte malattie sono difficilmente curabili

by correcting the underlying mutation

correggendo la mutazione sottostante,

in even a modest fraction of cells in an organ,

in poche cellule di un organo,

delivering molecular machines like base editors

portare macchine molecolari come gli editor di basi

into cells in a human being

all'interno delle cellule umane

can be challenging.

può essere sfidante.

Co-opting nature's viruses to deliver base editors

Utilizzare i virus esistenti per ottenere editor di basi

instead of the molecules that give you a cold

invece di usare le molecole del raffreddore

is one of several promising delivery strategies

è una delle strategie migliori per arrivare al risultato

that's been successfully used.

che sia mai stata usata.

Continuing to develop new molecular machines

Continuare a sviluppare nuove macchine molecolari

that can make all of the remaining ways

che possano indentificare altri modi

to convert one base pair to another base pair

per convertire una coppia di basi in un'altra coppia

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

e che minimizzi le modifiche non richieste in altri punti delle cellule

is very important.

è fondamentale.

And engaging with other scientists, doctors, ethicists and governments

E impegnarsi con altri scienziati, medici, studiosi di etica e governi

to maximize the likelihood that base editing is applied thoughtfully,

per massimizzare la possibilità che l'editing di basi

venga applicato con coscienza

safely and ethically,

in modo sicuro e etico

remains a critical obligation.

rimane un obbligo essenziale.

These challenges notwithstanding,

Malgrado queste sfide,

if you had told me even just five years ago

se mi aveste detto anche solo cinque anni fa

that researchers around the globe

che studiosi di tutto il mondo

would be using laboratory-evolved molecular machines

avrebbero usato macchine molecolari sviluppate in laboratorio

to directly convert an individual base pair

per modificare direttamente una singola coppia di basi

to another base pair

in un'altra coppia

at a specified location in the human genome

in un punto specifico del genoma umano,

efficiently and with a minimum of other outcomes,

in modo efficiente e con danni secondari minimi,

I would have asked you,

vi avrei chiesto, "Ma che libro di fantascienza state leggendo?"

"What science-fiction novel are you reading?"

Thanks to a relentlessly dedicated group of students

Grazie a questo gruppo di studenti così dediti e instancabili,

who were creative enough to engineer what we could design ourselves

così creativi da realizzare quello che noi stessi progettavamo

and brave enough to evolve what we couldn't,

e così coraggiosi da sviluppare quello che non sapevamo fare,

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

l'editing ha cominciato a trasformare quella aspirazione fantascientifica

into an exciting new reality,

in una nuova emozionante realtà,

one in which the most important gift we give our children

in cui il più grande regalo che possiamo dare ai nostri figli

may not only be three billion letters of DNA,

non è solo un set di tre miliardi di lettere di DNA,

but also the means to protect and repair them.

ma anche i mezzi per proteggerli e ripararli.

Thank you.

Grazie

(Applause)

(Applausi)

Grazie.

Thank you.