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

Tradutor: Ana Zenha Revisora: Margarida Ferreira

The most important gift your mother and father ever gave you

O presente mais importante

que a vossa mãe e o vosso pai alguma vez vos ofereceram

was the two sets of three billion letters of DNA

foram dois conjuntos de 3 mil milhões de letras de ADN

that make up your genome.

que compõem o vosso genoma.

But like anything with three billion components,

Mas como qualquer coisa com 3 mil milhões de componentes,

that gift is fragile.

esse presente é frágil.

Sunlight, smoking, unhealthy eating,

O sol, o fumar, uma alimentação pouco saudável,

even spontaneous mistakes made by your cells,

até mesmo erros naturais das vossas células,

all cause changes to your genome.

tudo provoca mudanças no vosso genoma.

The most common kind of change in DNA

O tipo mais comum de mudança no ADN

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

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

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

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

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

Num dia comum, as células do corpo acumularão, no seu conjunto,

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

milhares de milhões dessas trocas de uma letra,

também chamadas de "mutações pontuais".

Now, most of these point mutations are harmless.

A maioria dessas mutações é inofensiva.

But every now and then,

Mas de vez em quando, uma mutação pontual

a point mutation disrupts an important capability in a cell

perturba uma aptidão importante numa célula,

or causes a cell to misbehave in harmful ways.

ou faz com que uma célula tenha um comportamento nocivo.

If that mutation were inherited from your parents

Se essa mutação fosse herdada dos vossos pais,

or occurred early enough in your development,

ou ocorresse cedo o suficiente no vosso desenvolvimento,

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

então o resultado seria que muitas, ou todas as vossas células,

contain this harmful mutation.

conteriam essa mutação nociva.

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

Então, vocês estariam entre as centenas de milhões de pessoas

with a genetic disease,

com uma doença genética,

such as sickle cell anemia or progeria

como a anemia falciforme, a progéria,

or muscular dystrophy or Tay-Sachs disease.

a distrofia muscular ou a doença de Tay-Sachs.

Grievous genetic diseases caused by point mutations

As doenças genéticas graves causadas por mutações pontuais

são especialmente frustrantes porque sabemos frequentemente

are especially frustrating,

because we often know the exact single-letter change

a exacta alteração de letra que causa a doença

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

o que, em teoria, poderia curar a doença.

Millions suffer from sickle cell anemia

Há milhões de pessoas a sofrer de anemia falciforme

because they have a single A to T point mutations

porque têm mutações pontuais de um A para um T

in both copies of their hemoglobin gene.

em ambas as cópias do seu gene da hemoglobina.

And children with progeria are born with a T

As crianças com progéria nascem com um T numa posição única no seu genoma,

at a single position in their genome

where you have a C,

onde nós temos um C,

with the devastating consequence that these wonderful, bright kids

com a devastadora consequência de estes miúdos maravilhosos e brilhantes

age very rapidly and pass away by about age 14.

envelhecerem muito rapidamente e falecerem por volta dos 14 anos.

Throughout the history of medicine,

Ao longo da história da medicina,

we have not had a way to efficiently correct point mutations

não temos tido uma forma de corrigir eficazmente

as mutações pontuais em sistemas vivos,

in living systems,

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

para mudar aquele T, que os adoece, para um C.

Perhaps until now.

Talvez até agora,

Because my laboratory recently succeeded in developing such a capability,

porque recentemente o meu laboratório conseguiu desenvolver essa capacidade,

which we call "base editing."

a que nós chamamos "edição de bases".

The story of how we developed base editing

A história de como desenvolvemos o editor de bases

actually begins three billion years ago.

começou, na verdade, há três mil milhões de anos.

We think of bacteria as sources of infection,

Nós pensamos nas bactérias como fontes de infecção,

but bacteria themselves are also prone to being infected,

mas as bactérias propriamente ditas também são propensas a ser infectadas,

in particular, by viruses.

em particular por vírus.

So about three billion years ago,

Então, há cerca de 3 mil milhões de anos,

bacteria evolved a defense mechanism to fight viral infection.

as bactérias desenvolveram um mecanismo de defesa

para combater a infecção viral.

That defense mechanism is now better known as CRISPR.

Esse mecanismo de defesa é agora mais conhecido por CRISPR.

And the warhead in CRISPR is this purple protein

E a bomba do CRISPR é esta proteína roxa

that acts like molecular scissors to cut DNA,

que age como uma tesoura molecular para cortar o ADN,

breaking the double helix into two pieces.

quebrando a hélice dupla em duas partes.

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

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

it wouldn't be a very useful defense system.

não seria um sistema de defesa muito útil.

But the most amazing feature of CRISPR

Mas a característica mais incrível do CRISPR

is that the scissors can be programmed to search for,

é que a tesoura pode ser programada para procurar,

bind to and cut

ligar e cortar

only a specific DNA sequence.

apenas uma sequência específica de ADN.

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

Quando uma bactéria encontra um vírus pela primeira vez,

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

ela pode armazenar um pequeno fragmento do ADN desse vírus

for use as a program to direct the CRISPR scissors

para ser usado como um programa para direccionar a tesoura CRISPR

to cut that viral DNA sequence during a future infection.

para cortar essa sequência de ADN viral durante uma infecção futura.

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

Cortar o ADN de um vírus perturba a função do gene viral cortado

and therefore disrupts the virus's life cycle.

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

Remarkable researchers including Emmanuelle Charpentier, George Church,

Pesquisadores extraordinários, incluindo Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna and Feng Zhang

Jennifer Doudna e Feng Zhang

showed six years ago how CRISPR scissors could be programmed

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

to cut DNA sequences of our choosing,

para cortar sequências de ADN à nossa escolha,

including sequences in your genome,

inclusive sequências no vosso genoma,

instead of the viral DNA sequences chosen by bacteria.

em vez das sequências de ADN viral escolhidas pelas bactérias.

But the outcomes are actually similar.

Mas os resultados são semelhantes.

Cutting a DNA sequence in your genome

Cortar uma sequência de ADN no vosso genoma

also disrupts the function of the cut gene, typically,

normalmente, também perturba a função do gene cortado,

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

geralmente gerando a inclusão e a exclusão de misturas aleatórias de letras de ADN

at the cut site.

no local do corte.

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

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

But for most point mutations that cause genetic diseases,

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

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

o simples corte do gene que já sofreu mutação

não beneficiará os pacientes,

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

porque a função desse gene precisa de ser restaurada,

not further disrupted.

não ainda mais perturbada.

So cutting this already-mutated hemoglobin gene

Assim, cortar esse gene da hemoglobina que já sofreu mutação

that causes sickle cell anemia

e que causa a anemia falciforme

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

não restaurará a capacidade dos pacientes de produzir hemácias saudáveis.

And while we can sometimes introduce new DNA sequences into cells

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

to replace the DNA sequences surrounding a cut site,

para substituir as sequências de ADN ao redor de um local de corte,

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

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

and the disrupted gene outcomes still predominate.

e os consequentes genes perturbados ainda predominam.

Like many scientists, I've dreamed of a future

Como muitos cientistas, sonhei com um futuro

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

em que conseguiríamos tratar, ou até mesmo curar,

human genetic diseases.

doenças genéticas humanas,

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

mas vi a inexistência de uma forma de corrigir as mutações pontuais,

which cause most human genetic diseases,

que causam a maioria das doenças genéticas humanas,

as a major problem standing in the way.

como um grande obstáculo.

Being a chemist, I began working with my students

Como sou químico, comecei a trabalhar com os meus alunos

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

para desenvolver formas de usar a química directamente numa base de ADN individual

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

e realmente corrigir, em vez de interromper,

as mutações que causam doenças genéticas.

The results of our efforts are molecular machines

Os resultados de nosso esforço são máquinas moleculares

called "base editors."

chamadas "editores de bases".

Base editors use the programmable searching mechanism of CRISPR scissors,

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

but instead of cutting the DNA,

mas, ao invés de cortar o ADN,

they directly convert one base to another base

convertem directamente uma base em outra sem perturbar o restante do gene.

without disrupting the rest of the gene.

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

Se pensarmos em proteínas CRISPR naturalmente existentes

como tesouras moleculares,

you can think of base editors as pencils,

podemos pensar nos editores de bases como lápis,

capable of directly rewriting one DNA letter into another

capazes de substituir directamente uma letra de ADN por outra,

by actually rearranging the atoms of one DNA base

reorganizando realmente os átomos de uma base de ADN

to instead become a different base.

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

Now, base editors don't exist in nature.

Os editores de bases não existem na natureza.

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

Na verdade, projectámos o primeiro editor de bases, mostrado aqui,

from three separate proteins

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

that don't even come from the same organism.

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

Começámos por pegar em tesouras CRISPR e desactivar a capacidade de cortar ADN,

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

mantendo, porém, a sua capacidade de procurar e ligar uma sequência de ADN

in a programmed manner.

de uma maneira programada.

To those disabled CRISPR scissors, shown in blue,

A essas tesouras CRISPR alteradas, mostradas a azul,

we attached a second protein in red,

anexamos uma segunda proteína, a vermelho,

which performs a chemical reaction on the DNA base C,

que realiza uma reacção química na base C do ADN

converting it into a base that behaves like T.

convertendo-a numa base que se comporta como T.

Third, we had to attach to the first two proteins

Terceiro, tivemos de anexar às duas primeiras proteínas

the protein shown in purple,

a proteína mostrada a roxo,

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

que evita que a base editada seja removida pela célula.

The net result is an engineered three-part protein

O resultado final é uma proteína manipulada de três partes

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

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

at specified locations in the genome.

em localizações especificadas no genoma.

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

Mas mesmo nesta fase, o nosso trabalho estava apenas a meio,

Because in order to be stable in cells,

porque, para ser estável nas células,

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

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

And because C only pairs with G,

Como C faz par apenas com G,

and T only pairs with A,

e T só faz par com A,

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

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

cria uma incompatibilidade,

a disagreement between the two DNA strands

um desacordo entre os dois filamentos de ADN

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

que a célula tem de resolver decidindo o filamento a substituir.

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

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

to flag the nonedited strand as the one to be replaced

para sinalizar o filamento não editado como aquele a substituir

by nicking that strand.

pelo corte desse filamento.

This little nick tricks the cell

Esse pequeno corte engana a célula

into replacing the nonedited G with an A

para substituir o G não editado por um A,

as it remakes the nicked strand,

uma vez que recria o filamento cortado,

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

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

into a stable T-A base pair.

num par de bases T-A estável.

After several years of hard work

Após vários anos de trabalho árduo

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

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

we succeeded in developing this first class of base editor,

conseguimos desenvolver esta primeira classe de editor de bases,

which converts Cs into Ts and Gs into As

que converte Cs em Ts, e Gs em As,

at targeted positions of our choosing.

em posições específicas à nossa escolha.

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

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

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

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

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

são, juntos, responsáveis por cerca de 14%

ou cerca de 5 mil mutações pontuais patogénicas.

But correcting the largest fraction of disease-causing point mutations

Mas corrigir a maior fracção de mutações pontuais causadoras de doenças

would require developing a second class of base editor,

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

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

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

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

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

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

começámos a desenvolver esta segunda classe de editor de bases,

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

que, em teoria, poderia corrigir

até quase metade das mutações pontuais patogénicas,

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

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

We realized that we could borrow, once again,

Percebemos que poderíamos pedir emprestado, mais uma vez,

the targeting mechanism of CRISPR scissors

o mecanismo de direccionamento da tesoura CRISPR

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

para trazer o novo editor de bases para o local certo num genoma.

But we quickly encountered an incredible problem;

Mas rapidamente encontrámos um problema incrível:

namely, there is no protein

não há uma proteína conhecida

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

que converta A em G, ou T em C, no ADN.

in DNA.

Faced with such a serious stumbling block,

Diante de um obstáculo tão sério,

most students would probably look for another project,

a maioria dos alunos provavelmente procuraria outro projecto,

if not another research advisor.

ou outro orientador de pesquisa.

(Laughter)

(Risos)

But Nicole agreed to proceed with a plan

Mas a Nicole concordou em prosseguir com um plano

that seemed wildly ambitious at the time.

que, na época, parecia desmesuradamente ambicioso.

Given the absence of a naturally occurring protein

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

that performs the necessary chemistry,

we decided we would evolve our own protein in the laboratory

decidimos desenvolver a nossa própria proteína em laboratório

to convert A into a base that behaves like G,

para converter A numa base que se comporta como G,

starting from a protein that performs related chemistry on RNA.

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

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

Montámos um sistema de selecção darwiniano de sobrevivência do mais apto,

that explored tens of millions of protein variants

que explorou dezenas de milhões de variantes de proteínas

and only allowed those rare variants

e permitiu apenas aquelas variantes raras

that could perform the necessary chemistry to survive.

que poderiam realizar a química necessária para sobreviver.

We ended up with a protein shown here,

Acabámos com uma proteína mostrada aqui,

the first that can convert A in DNA

a primeira que pode converter um A do ADN,

into a base that resembles G.

numa base parecida com G.

And when we attached that protein

Quando anexámos essa proteína à tesoura CRISPR desactivada, mostrada a azul,

to the disabled CRISPR scissors, shown in blue,

we produced the second base editor,

produzimos o segundo editor de bases,

which converts As into Gs,

que converte As em Gs

and then uses the same strand-nicking strategy

e utiliza, depois, a mesma estratégia de corte de filamento

that we used in the first base editor

que usámos no primeiro editor de bases

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

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

as it remakes that nicked strand,

conforme recria o filamento cortado,

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

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

(Applause)

(Aplausos)

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)

As an academic scientist in the US,

Como cientista académico nos EUA,

I'm not used to being interrupted by applause.

não estou habituado a ser interrompido por aplausos.

(Laughter)

(Risos)

We developed these first two classes of base editors

Desenvolvemos estas duas primeiras classes de editores de bases

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

apenas há três anos e há um ano e meio.

But even in that short time,

Mas mesmo neste curto período,

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

a edição de bases tornou-se amplamente usada

pela comunidade de pesquisa biomédica.

Base editors have been sent more than 6,000 times

Os editores de bases foram enviados mais de 6 mil vezes

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

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

A hundred scientific research papers have been published already,

Já se publicou uma centena de trabalhos de pesquisa científica

using base editors in organisms ranging from bacteria

usando editores de bases em organismos

que variam desde bactérias a plantas, ratos e primatas.

to plants to mice to primates.

While base editors are too new

Embora os editores sejam muito novos

to have already entered human clinical trials,

para entrarem em ensaios clínicos com seres humanos,

scientists have succeeded in achieving a critical milestone towards that goal

há cientistas que conseguiram alcançar um marco decisivo rumo a esse objectivo

by using base editors in animals

usando editores de bases em animais

to correct point mutations that cause human genetic diseases.

para corrigir mutações pontuais que causam doenças genéticas humanas.

For example,

Por exemplo,

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

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

two additional students in my lab,

dois estudantes do meu laboratório,

recently used a virus to deliver that second base editor

usou recentemente um vírus para alcançar essa segunda edição de bases

into a mouse with progeria,

num rato com progéria,

changing that disease-causing T back into a C

mudando o T causador da doença para um C,

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

invertendo as suas consequências no ADN, no ARN e nos níveis de proteína.

Base editors have also been used in animals

Os editores de bases também têm sido usados em animais

to reverse the consequence of tyrosinemia,

para inverter as consequências da tirosinemia,

beta thalassemia, muscular dystrophy,

da beta-talassemia, da distrofia muscular,

phenylketonuria, a congenital deafness

da fenilcetonúria, de uma surdez congénita

and a type of cardiovascular disease --

e de um tipo de doença cardiovascular,

in each case, by directly correcting a point mutation

em cada caso, pela correcção directa de uma mutação pontual

that causes or contributes to the disease.

que causa ou contribui para a doença.

In plants, base editors have been used

Nas plantas, os editores de bases têm sido usados

to introduce individual single DNA letter changes

para introduzir mudanças individuais de uma única letra do ADN

that could lead to better crops.

que podem levar a melhores colheitas.

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

Os biólogos têm usado editores de bases

para investigar o papel de letras individuais

in genes associated with diseases such as cancer.

em genes associados a doenças como o cancro.

Two companies I cofounded, Beam Therapeutics and Pairwise Plants,

Duas empresas que ajudei a fundar, a Beam Therapeutics e a Pairwise Plants,

are using base editing to treat human genetic diseases

estão a usar a edição de bases para tratar doenças genéticas humanas

and to improve agriculture.

e aperfeiçoar a agricultura.

All of these applications of base editing

Todas essas aplicações da edição de bases ocorreram em menos de três anos,

have taken place in less than the past three years:

on the historical timescale of science,

o que, na escala de tempo histórica da ciência,

the blink of an eye.

seria um piscar de olhos.

Additional work lies ahead

Há mais trabalho pela frente

before base editing can realize its full potential

antes de a edição de bases poder concretizar todo o seu potencial

to improve the lives of patients with genetic diseases.

para melhorar a vida de pacientes com doenças genéticas.

While many of these diseases are thought to be treatable

Embora muitas dessas doenças sejam consideradas tratáveis

by correcting the underlying mutation

pela correcção da mutação subjacente,

in even a modest fraction of cells in an organ,

mesmo numa modesta fracção de células de um órgão,

delivering molecular machines like base editors

a distribuição de máquinas moleculares como editores de bases

into cells in a human being

em células de um ser humano

can be challenging.

pode ser desafiadora.

Co-opting nature's viruses to deliver base editors

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

instead of the molecules that give you a cold

em vez das moléculas que causam uma constipação,

is one of several promising delivery strategies

é uma das várias estratégias promissoras de distribuição

that's been successfully used.

que tem sido usada com sucesso.

Continuing to develop new molecular machines

Continuar a desenvolver novas máquinas moleculares

that can make all of the remaining ways

que possam tornar todos os restantes modos

to convert one base pair to another base pair

de converter um par de bases em outro

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

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

is very important.

é muito importante.

And engaging with other scientists, doctors, ethicists and governments

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

to maximize the likelihood that base editing is applied thoughtfully,

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

safely and ethically,

de modo ponderado, seguro e ético,

remains a critical obligation.

continua a ser um dever crucial.

These challenges notwithstanding,

Apesar desses desafios,

if you had told me even just five years ago

se alguém me tivesse dito, há apenas cinco anos,

that researchers around the globe

que pesquisadores em todo o mundo

would be using laboratory-evolved molecular machines

usariam máquinas moleculares desenvolvidas em laboratório

to directly convert an individual base pair

para converter directamente um par de bases noutro par

to another base pair

at a specified location in the human genome

num local específico do genoma humano,

efficiently and with a minimum of other outcomes,

de forma eficaz e com um mínimo de outros resultados,

I would have asked you,

eu ter-vos-ia perguntado:

"What science-fiction novel are you reading?"

"Que livro de ficção científica andam vocês a ler?".

Thanks to a relentlessly dedicated group of students

Graças a um grupo de alunos continuamente dedicados,

who were creative enough to engineer what we could design ourselves

criativos o suficiente para construir o que nós mesmos poderíamos projectar

and brave enough to evolve what we couldn't,

e corajosos o bastante para desenvolver o que não conseguíssemos,

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

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

into an exciting new reality,

numa nova realidade empolgante,

one in which the most important gift we give our children

na qual o presente mais importante que damos aos nossos filhos

may not only be three billion letters of DNA,

não são apenas 3 mil milhões de letras de ADN,

but also the means to protect and repair them.

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

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)

Thank you.