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

Переводчик: Dennis Gordeychuk Редактор: Yulia Kallistratova

The most important gift your mother and father ever gave you

Самый главный подарок от ваших родителей —

was the two sets of three billion letters of DNA

это двойная спираль из трёх миллиардов молекул ДНК,

that make up your genome.

которые составляют ваш геном.

Но как любая вещь, состоящая из трёх миллиардов компонентов,

But like anything with three billion components,

that gift is fragile.

этот дар хрупкий.

Sunlight, smoking, unhealthy eating,

Солнечный свет, курение, нездоровая пища

even spontaneous mistakes made by your cells,

и даже спонтанные ошибки самих клеток

all cause changes to your genome.

могут вызвать изменения генома.

The most common kind of change in DNA

Самый распространённый тип изменений в ДНК —

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

это обычная замена одного нуклеотида, или основания, например С,

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

на другой нуклеотид, например на T, G или А.

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

За один день клетки тела коллективно накапливают

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

миллиарды перемещений нуклеотидов, называемых точковыми мутациями.

Now, most of these point mutations are harmless.

Большинство точковых мутаций безвредны.

But every now and then,

Но время от времени

a point mutation disrupts an important capability in a cell

точковая мутация нарушает важную функцию клетки

or causes a cell to misbehave in harmful ways.

или делает поведение клетки вредным для организма.

If that mutation were inherited from your parents

Если эта мутация унаследована от ваших родителей

or occurred early enough in your development,

или произошла на довольно раннем этапе вашего развития,

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

тогда многие или все из ваших клеток

contain this harmful mutation.

содержат эту вредную мутацию.

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

Тогда вы — один из сотни миллионов людей

with a genetic disease,

с генетическими заболеванием.

such as sickle cell anemia or progeria

Например, серповидноклеточная анемия или прогерия,

or muscular dystrophy or Tay-Sachs disease.

или мышечная дистрофия, или болезнь Тея-Сакса.

Grievous genetic diseases caused by point mutations

Тяжёлые генетические заболевания из-за точковых мутаций

are especially frustrating,

особенно расстраивают нас,

because we often know the exact single-letter change

поскольку мы часто знаем об изменении конкретного нуклеотида —

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

причины заболевания и теоретически можем излечить заболевание.

Millions suffer from sickle cell anemia

Миллионы людей страдают от серповидноклеточной анемии

because they have a single A to T point mutations

из-за единственной мутации нуклеотида А в нуклеотид Т

in both copies of their hemoglobin gene.

в обеих цепочках гена гемоглобина.

And children with progeria are born with a T

А дети с прогерией рождаются с нуклеотидом Т

at a single position in their genome

в одной точке генома,

where you have a C,

в которой должен быть нуклеотид С,

with the devastating consequence that these wonderful, bright kids

и последствия настолько ужасны, что эти прекрасные, гениальные дети

age very rapidly and pass away by about age 14.

быстро стареют и умирают примерно в 14 лет.

Throughout the history of medicine,

На протяжении всей истории медицины мы не знали,

we have not had a way to efficiently correct point mutations

как эффективно исправить точковые мутации в живых системах,

in living systems,

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

чтобы исправить вредную мутацию нуклеотида Т в С.

Perhaps until now.

Возможно, до настоящего момента.

Because my laboratory recently succeeded in developing such a capability,

Так как моей лаборатории удалось разработать такой способ —

which we call "base editing."

способ «Редактирования основания».

The story of how we developed base editing

История разработки редактора основания

actually begins three billion years ago.

началась три миллиарда лет назад.

We think of bacteria as sources of infection,

Мы рассматриваем бактерию как источник инфекции,

but bacteria themselves are also prone to being infected,

но сами бактерии также подвержены заражению,

in particular, by viruses.

в частности, вирусами.

So about three billion years ago,

Около трёх миллиардов лет назад бактерии выработали

bacteria evolved a defense mechanism to fight viral infection.

защитный механизм для борьбы с вирусной инфекцией.

That defense mechanism is now better known as CRISPR.

Этот защитный механизм теперь широко известен как CRISPR.

And the warhead in CRISPR is this purple protein

И поражающим элементом CRISPR является лиловый протеин,

that acts like molecular scissors to cut DNA,

разрезающий ДНК наподобие молекулярных ножниц,

breaking the double helix into two pieces.

разрывающий двойную спираль на две части.

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

Если бы CRISPR не мог различать ДНК бактерии и вирусов,

it wouldn't be a very useful defense system.

он не был бы настолько полезным для защитной системы.

But the most amazing feature of CRISPR

Но самая невероятная особенность CRISPR —

is that the scissors can be programmed to search for,

это возможность «программирования ножниц»

на поиск, привязку и вырезание только конкретных частей ДНК.

bind to and cut

only a specific DNA sequence.

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

Когда бактерия встречает вирус в первый раз,

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

она может сохранять небольшой фрагмент ДНК этого вируса

for use as a program to direct the CRISPR scissors

для использования в качестве программы управления CRISPR

to cut that viral DNA sequence during a future infection.

для вырезания последовательности ДНК при последующих инфекциях.

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

Вырезание ДНК вируса мешает работе заражённого гена

and therefore disrupts the virus's life cycle.

и прерывает жизненный цикл вируса.

Remarkable researchers including Emmanuelle Charpentier, George Church,

Невероятные исследования Эммануэль Шарпантье, Джорджа Чёрча,

Jennifer Doudna and Feng Zhang

Дженнифер Дудна и Фена Джана

showed six years ago how CRISPR scissors could be programmed

шесть лет назад продемонстрировали принцип программирования CRISPR

to cut DNA sequences of our choosing,

для вырезания выбранной последовательности ДНК,

including sequences in your genome,

включая последовательности в геноме,

instead of the viral DNA sequences chosen by bacteria.

вместо заражённых последовательностей ДНК, выбираемых бактерией.

But the outcomes are actually similar.

Но результаты совпали.

Cutting a DNA sequence in your genome

Вырезание последовательности в геноме

also disrupts the function of the cut gene, typically,

также мешает работе разрезанного гена,

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

обычно вызывая вставку и удаление случайных комбинаций нуклеотидов ДНК

at the cut site.

на стороне разреза.

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

Нарушение работы генов может быть очень полезным для практических целей.

But for most point mutations that cause genetic diseases,

Но в большинстве случаев точковые мутации приводят к генетическим заболеваниям.

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

Простое разрезание уже мутировавшего гена пациентам не поможет,

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

так как необходимо восстановить его работу, а не препятствовать этому.

not further disrupted.

So cutting this already-mutated hemoglobin gene

Поэтому разрезание уже мутировавшего гена гемоглобина,

that causes sickle cell anemia

вызывающего серповидноклеточную анемию,

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

не восстановит способность пациента вырабатывать здоровые эритроциты.

And while we can sometimes introduce new DNA sequences into cells

И хотя мы иногда можем вводить последовательности ДНК в клетки

to replace the DNA sequences surrounding a cut site,

для замены последовательностей, окружающих разрез,

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

этот процесс, к сожалению, не происходит в большинстве типов клеток,

and the disrupted gene outcomes still predominate.

и эффекты повреждённого гена всё равно преобладают.

Like many scientists, I've dreamed of a future

Как и многие учёные, я мечтал о будущем,

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

в котором мы сможем лечить или даже излечивать

human genetic diseases.

генетические заболевания.

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

Но я ощущал недостаток способов исправить точковые мутации,

which cause most human genetic diseases,

вызывающие большинство генетических заболеваний у людей,

as a major problem standing in the way.

как главную проблему на пути к этому.

Being a chemist, I began working with my students

Будучи химиком, я начал работать со своими студентами

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

над разработкой способов прямого влияния на основание ДНК человека

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

с целью исправить, а не просто разрушить, вызывающие заболевания мутации.

The results of our efforts are molecular machines

Результат наших усилий — молекулярные машины,

called "base editors."

называемые «редакторы основания».

Base editors use the programmable searching mechanism of CRISPR scissors,

Они используют программируемый механизм поиска ножниц CRISPR,

but instead of cutting the DNA,

но вместо разрезания ДНК

they directly convert one base to another base

они напрямую конвертируют одно основание в другое

without disrupting the rest of the gene.

без повреждения остальной части гена.

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

Если представить естественные протеины CRISPR как молекулярные ножницы,

you can think of base editors as pencils,

то редакторы основания будут карандашами,

capable of directly rewriting one DNA letter into another

способными напрямую переписывать нуклеотиды ДНК

by actually rearranging the atoms of one DNA base

за счёт преобразования атомов одного основания ДНК

to instead become a different base.

в другое основание ДНК.

Now, base editors don't exist in nature.

Редакторы оснований не существуют в природе.

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

В сущности, мы изобрели первый редактор основания

from three separate proteins

из трёх отдельных протеинов,

that don't even come from the same organism.

полученных даже не из одного организма.

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

Мы начали с отключения способности ножниц CRISPR разрезать ДНК,

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

оставив способность поиска и связывания целевой последовательности в ДНК

in a programmed manner.

по составленному плану.

To those disabled CRISPR scissors, shown in blue,

К отключённым ножницам CRISPR, обозначенных синим,

we attached a second protein in red,

мы прикрепили второй протеин, выделенный красным,

which performs a chemical reaction on the DNA base C,

который осуществляет химическую реакцию на основании нуклеотида С ДНК,

converting it into a base that behaves like T.

превращая его в основание, которое ведёт себя как Т.

Third, we had to attach to the first two proteins

В-третьих, нам пришлось прикрепить к первым двум протеинам

the protein shown in purple,

протеин лилового цвета,

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

защищающий отредактированное основание от удаления клеткой.

The net result is an engineered three-part protein

В результате получился протеин из трёх частей,

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

который впервые позволял конвертировать нуклеотиды С в нуклеотиды Т

at specified locations in the genome.

в указанном месте генома.

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

На даже на этом этапе мы прошли только половину пути.

Because in order to be stable in cells,

Поскольку для стабильного существования внутри клетки

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

двум цепочкам двойной спирали ДНК необходимо образовать пары оснований.

And because C only pairs with G,

И поскольку С формирует спаренное основание с G,

and T only pairs with A,

а Т — только с А,

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

простая замена C на Т на одной цепочке ДНК вызывает ошибку спаривания оснований —

a disagreement between the two DNA strands

противоречие между двумя цепочками ДНК,

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

которое клетка должна разрешить, выбрав замену одной из цепочек.

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

Мы поняли, что можно усовершенствовать данный трёхчастный протеин

to flag the nonedited strand as the one to be replaced

с целью пометить неотредактированные цепочки как те, которые нужно заменить,

by nicking that strand.

с помощью никирования данных цепочек.

This little nick tricks the cell

Лёгкое никирование «заставляет» клетку

into replacing the nonedited G with an A

заменить неотредактированный нуклеотид G на А

as it remakes the nicked strand,

при восстановлении повреждённой цепочки.

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

Таким образом завершается конверсия пары оснований C-G

into a stable T-A base pair.

в стабильную пару оснований Т-А.

After several years of hard work

Несколько лет тяжёлой работы

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

в лаборатории, возглавляемой постдокторантом Алексисом Комором,

we succeeded in developing this first class of base editor,

привели к успеху в развитии первого класса редактора основания,

which converts Cs into Ts and Gs into As

который конвертирует нуклеотиды C в Т и G в А

at targeted positions of our choosing.

в качестве выбранных целевых позиций.

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

Среди более чем 35 000 известных патогенных точковых мутаций

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

две разновидности, которые первый редактор оснований может обратить,

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

вместе отвечают за 14%, или 5 000, патогенных точковых мутаций.

But correcting the largest fraction of disease-causing point mutations

Но исправление большей части патогенных точковых мутаций

would require developing a second class of base editor,

потребует разработки редактора оснований второго класса,

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

который сможет конвертировать нуклеотиды А в G или Т в C.

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

Под руководством Николь Гауделли, бывшего постдокторанта в лаборатории,

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

мы занялись разработкой второго класса редактора оснований,

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

который, в теории, должен исправить до половины патогенных точковых мутаций,

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

включая вызывающие болезнь преждевременного старения прогерию.

We realized that we could borrow, once again,

Мы поняли, что сможем снова заимствовать

the targeting mechanism of CRISPR scissors

механизм таргетирования ножниц CRISPR,

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

чтобы доставить новый редактор оснований до нужного места в геноме.

But we quickly encountered an incredible problem;

Однако довольно быстро мы столкнулись с невероятной проблемой.

namely, there is no protein

А именно, среди известных протеинов

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

нет такого, который бы конвертировал А в G или T в С

in DNA.

внутри ДНК.

Faced with such a serious stumbling block,

Столкнувшись с такой серьёзной преградой,

most students would probably look for another project,

большинство студентов стали бы искать другой проект

if not another research advisor.

или нового научного руководителя.

(Laughter)

(Смех)

But Nicole agreed to proceed with a plan

Но Николь согласилась следовать плану,

that seemed wildly ambitious at the time.

который казался очень амбициозным на тот момент.

Given the absence of a naturally occurring protein

В отсутствие протеина естественного происхождения,

that performs the necessary chemistry,

выполняющего необходимую функцию,

we decided we would evolve our own protein in the laboratory

мы решили выделить собственный протеин в лаборатории

to convert A into a base that behaves like G,

для превращения нуклеотида А в основание, ведущее себя как G,

starting from a protein that performs related chemistry on RNA.

начав с протеина, выполняющего похожие функции в РНК.

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

Мы устроили дарвиновскую систему отбора наиболее приспособленного,

that explored tens of millions of protein variants

через которую прошли десятки миллионов вариантов протеинов,

and only allowed those rare variants

и пропустили редкие варианты

that could perform the necessary chemistry to survive.

с химическими свойствами, необходимыми для выживания.

We ended up with a protein shown here,

Мы остановились на показанном протеине,

the first that can convert A in DNA

на первом, который может конвертировать нуклеотид А в ДНК

into a base that resembles G.

в основание, напоминающее G.

And when we attached that protein

Затем мы прикрепили этот протеин

to the disabled CRISPR scissors, shown in blue,

к отключённым ножницам CRISPR, показаных синим цветом.

we produced the second base editor,

Мы создали второй редактор оснований,

which converts As into Gs,

который превращает нуклеотиды А в G

and then uses the same strand-nicking strategy

и использует всю ту же стратегию никирования цепочек,

that we used in the first base editor

использованную в первом редакторе,

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

чтобы «заставить» клетку заменить нередактированный T на С

as it remakes that nicked strand,

при восстановления никированной цепочки.

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

Таким образом мы завершили процесс конверсии базы A-T в базовую пару G-C.

(Applause)

(Аплодисменты)

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)

As an academic scientist in the US,

Будучи университетским учёным в США,

I'm not used to being interrupted by applause.

я не привык, чтобы меня прерывали аплодисментами.

(Laughter)

(Смех)

We developed these first two classes of base editors

Мы разработали два первых класса редакторов основания

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

только три и полтора года назад.

But even in that short time,

Но даже за такое короткое время

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

они нашли широкое применение в биомедицинских исследованиях.

Base editors have been sent more than 6,000 times

Редакторы основания были «запущены» более 6 000 раз

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

по запросу более чем 1 000 исследователей по всему миру.

A hundred scientific research papers have been published already,

Сотня научно-исследовательских работ уже была опубликована

после использования редакторов основания на разных организмах, включая бактерии,

using base editors in organisms ranging from bacteria

to plants to mice to primates.

растения, мышей и приматов.

While base editors are too new

Хотя редакторы оснований ещё слишком новы

to have already entered human clinical trials,

для клинических испытаний на людях,

scientists have succeeded in achieving a critical milestone towards that goal

учёным удалось достичь важного прорыва в этом направлении

by using base editors in animals

за счёт использования редакторов основания на животных

to correct point mutations that cause human genetic diseases.

для исправления точковых мутаций — причины генетических заболеваний человека.

For example,

Например,

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

совместная команда учёных под руководством Люка Коблана и Джона Леви,

two additional students in my lab,

двух присоединившихся в моей лаборатории студентов,

recently used a virus to deliver that second base editor

недавно использовала вирус для доставки второго редактора основания

into a mouse with progeria,

в ген мыши, болеющей прогерией,

changing that disease-causing T back into a C

заменив патогенный нуклеотид Т на нуклеотид С

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

и обратив его последствия на уровнях ДНК, РНК и протеинов.

Base editors have also been used in animals

Редакторы оснований также использовались на животных

to reverse the consequence of tyrosinemia,

для обращения последствий тирозинемии,

beta thalassemia, muscular dystrophy,

бета-талассемии, мышечной дистрофии,

phenylketonuria, a congenital deafness

болезни Феллинга, врождённой глухоты

and a type of cardiovascular disease --

и одного из сердечно-сосудистых заболеваний.

in each case, by directly correcting a point mutation

В каждом случае с помощью прямого исправления точковой мутации,

that causes or contributes to the disease.

которая была причиной или причинным фактором заболевания.

In plants, base editors have been used

В случае с растениями редакторы оснований использовались

to introduce individual single DNA letter changes

для изменений отдельных нуклеотидов ДНК

that could lead to better crops.

с целью повышения уровня урожая.

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

А биологи использовали редакторы оснований для испытания роли отдельных нуклеотидов

in genes associated with diseases such as cancer.

в генах, связанных с раковыми заболеваниями.

Two companies I cofounded, Beam Therapeutics and Pairwise Plants,

Компании, в которых я являюсь учредителем, Beam Therapeutics и Pairwise Plants,

are using base editing to treat human genetic diseases

используют редактор оснований для лечения генетических заболеваний людей

and to improve agriculture.

и улучшения методов агрономии.

All of these applications of base editing

Этим видам применения редактора оснований

have taken place in less than the past three years:

меньше трёх лет:

on the historical timescale of science,

с точки зрения исторических рамок науки

the blink of an eye.

это мгновение.

Additional work lies ahead

Предстоит ещё много работы

before base editing can realize its full potential

до реализации полного потенциала редакторов оснований

to improve the lives of patients with genetic diseases.

с целью улучшить жизни пациентов с генетическими заболеваниями.

While many of these diseases are thought to be treatable

Хотя многие из этих заболеваний считаются излечимыми

by correcting the underlying mutation

путём исправления лежащей в основе мутации

in even a modest fraction of cells in an organ,

даже в самой мелкой части клеток органа,

delivering molecular machines like base editors

доставка молекулярных машин, таких как редакторы оснований,

into cells in a human being

в клетку человека

can be challenging.

может быть сложной задачей.

Co-opting nature's viruses to deliver base editors

Использование природных вирусов для доставки редакторов оснований

instead of the molecules that give you a cold

вместо молекул, вызывающих простуду, —

is one of several promising delivery strategies

один из нескольких многообещающих способов доставки,

that's been successfully used.

использовавшихся с успехом.

Continuing to develop new molecular machines

Продолжать разработку новых молекулярных машин,

that can make all of the remaining ways

поддерживающих оставшиеся методы

to convert one base pair to another base pair

конверсии одного парного основания в другое и снижающих

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

нежелательное редактирование нецелевых мест в клетках,

is very important.

очень важно.

And engaging with other scientists, doctors, ethicists and governments

Взаимодействие с учёными, врачами, специалистами по этике и правительствами

to maximize the likelihood that base editing is applied thoughtfully,

для увеличения вероятности безопасного и этического

safely and ethically,

применения редактирования основания

remains a critical obligation.

остаётся важнейшей обязанностью.

These challenges notwithstanding,

Несмотря на все эти сложности,

if you had told me even just five years ago

если бы мне ещё пять лет назад сказали,

that researchers around the globe

что исследователи по всему миру

would be using laboratory-evolved molecular machines

будут использовать выращенные в лаборатории молекулярные машины

to directly convert an individual base pair

для прямой конверсии одной пары оснований

to another base pair

в другую пару

at a specified location in the human genome

в конкретной точке человеческого генома

efficiently and with a minimum of other outcomes,

эффективно и с минимальными побочными эффектами,

I would have asked you,

я бы спросил:

"What science-fiction novel are you reading?"

«Что за научную фантастику вы читаете?»

Thanks to a relentlessly dedicated group of students

Благодаря героическому упорству группы студентов,

who were creative enough to engineer what we could design ourselves

достаточно креативных для разработки того, что нам удалось разработать,

and brave enough to evolve what we couldn't,

и достаточно смелых для выведения того, что нам не удалось,

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

редактирование основания начало превращать научно-фантастические мечты

into an exciting new reality,

в удивительную новую реальность,

one in which the most important gift we give our children

в которой самым важным подарком наши детям

may not only be three billion letters of DNA,

может быть не только три миллиарда пар нуклеотидов ДНК,

but also the means to protect and repair them.

но и средства их защиты и исправления.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)

Thank you.

Спасибо.