ABOUT THE SPEAKER
David R. Liu - Chemical biologist
David R. Liu leads a research group that combines chemistry and evolutionary techniques to create revolutionary new medicines.

Why you should listen

During his PhD research at Berkeley, David R. Liu initiated the first general effort to expand the genetic code in living cells. As a professor at Harvard and the Broad Institute, Liu integrates chemistry and evolution to illuminate biology and develop next-generation therapeutics. He has published more than 170 papers and is an inventor on more than 65 issued US patents.

Liu's major research interests include development and use of genome editing technologies to study and treat genetic diseases; the evolution of proteins with novel therapeutic potential; and the discovery of bioactive synthetic molecules using DNA-encoded libraries. Base editing, phage-assisted continuous evolution (PACE) and DNA-encoded libraries are three technologies pioneered in his laboratory that are now widely used in the biomedical sciences. Liu has also cofounded six biotechnology and therapeutics companies, including Editas Medicine, Beam Therapeutics, Pairwise Plants and Exo Therapeutics. 

Liu grew up in Riverside, California, where playing with insects in his backyard crystallized his interest in science. He also is passionate about photography and has been banned from playing blackjack at virtually every major casino in Las Vegas after developing a creative and highly advantageous card-counting system.

More profile about the speaker
David R. Liu | Speaker | TED.com
TED2019

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

刘如谦: 我们能重写DNA来治疗基因疾病吗?

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在一个科学发现的故事中,化学生物学家刘如谦(David R. Liu)分享了一个突破:他的实验室开发出了可以重写DNA的碱基编辑器。基因组编辑的这一关键步骤将CRISPR的前景提升到了一个新的水平:如果CRISPR蛋白质是分子剪刀,经过编程可以剪切特定的DNA片段,那么碱基编辑器就是铅笔,能够直接将一个DNA字母改写成另一个。通过该演讲了解更多关于这些分子机器的工作原理,以及它们治疗甚至治愈遗传疾病的潜力。
- Chemical biologist
David R. Liu leads a research group that combines chemistry and evolutionary techniques to create revolutionary new medicines. Full bio

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00:13
The most important重要 gift礼品
your mother母亲 and father父亲 ever gave you
0
1286
4031
你父母给你的最重要的礼物
就是2组包含30亿个碱基的DNA,
00:17
was the two sets
of three billion十亿 letters of DNA脱氧核糖核酸
1
5341
2720
它们构成了你的基因组。
00:20
that make up your genome基因组.
2
8085
1564
00:22
But like anything
with three billion十亿 components组件,
3
10014
2477
但就像任何包含太多零件的东西一样,
这个礼物非常脆弱。
00:24
that gift礼品 is fragile脆弱.
4
12515
1400
00:26
Sunlight阳光, smoking抽烟, unhealthy不良 eating,
5
14815
3540
太阳光、吸烟、不健康的饮食,
甚至是细胞自身出现的错误,
00:30
even spontaneous自发 mistakes错误
made制作 by your cells细胞,
6
18379
2992
都能改变你的基因组。
00:33
all cause原因 changes变化 to your genome基因组.
7
21395
1923
00:36
The most common共同 kind of change更改 in DNA脱氧核糖核酸
8
24942
3278
最常见的DNA改变
就是一个字母,也叫一个碱基,
比如C(胞嘧啶),
00:40
is the simple简单 swap交换 of one letter,
or base基础, such这样 as C,
9
28244
4229
换成了别的碱基,如T(胸腺嘧啶)、
G(鸟嘌呤)或者A(腺嘌呤)。
00:44
with a different不同 letter,
such这样 as T, G or A.
10
32497
3241
00:48
In any day, the cells细胞 in your body身体
will collectively accumulate积累
11
36744
3373
每一天,你身体里的细胞
会累计发生数亿次
单碱基的改变,
这也被称作“点突变”。
00:52
billions数十亿 of these single-letter单字母 swaps互换,
which哪一个 are also called "point mutations突变."
12
40141
4836
00:58
Now, most of these
point mutations突变 are harmless无害.
13
46147
2531
大部分点突变是无害的。
但时不时,
01:00
But every一切 now and then,
14
48702
1158
点突变会干扰细胞的某项重要功能,
01:01
a point mutation突变 disrupts破坏
an important重要 capability能力 in a cell细胞
15
49884
3993
或者引起细胞出现异常行为。
01:05
or causes原因 a cell细胞 to misbehave行为不端
in harmful有害 ways方法.
16
53901
3355
01:10
If that mutation突变 were inherited遗传
from your parents父母
17
58099
2999
如果这种变异是从父母遗传而来的,
或者发生于你生命早期,
01:13
or occurred发生 early enough足够
in your development发展,
18
61122
2660
那么结果很可能是
你的大部分甚至全部细胞
01:15
then the result结果 would be
that many许多 or all of your cells细胞
19
63806
2966
都带有这种有害变异。
01:18
contain包含 this harmful有害 mutation突变.
20
66796
1912
01:21
And then you would be one
of hundreds数以百计 of millions百万 of people
21
69153
3270
你可能就会像其他成千上万人一样
患上基因疾病,
01:24
with a genetic遗传 disease疾病,
22
72447
1611
像镰刀型红血球病,或者早衰症,
01:26
such这样 as sickle镰刀 cell细胞 anemia贫血 or progeria早老症
23
74082
3003
或者肌肉萎缩症,
或者家族黑蒙性痴呆症。
01:29
or muscular肌肉发达 dystrophy营养不良
or Tay-Sachs泰-萨克斯 disease疾病.
24
77109
3121
01:34
Grievous严重 genetic遗传 diseases疾病
caused造成 by point mutations突变
25
82225
3182
由点基因突变引起的
这些不幸的遗传疾病
让我们尤其沮丧,
01:37
are especially特别 frustrating泄气,
26
85431
1993
因为我们往往已经知道
哪个具体字母(碱基)发生了突变,
01:39
because we often经常 know
the exact精确 single-letter单字母 change更改
27
87448
2904
从而导致了疾病。
因此理论上,我们可以治愈它。
01:42
that causes原因 the disease疾病
and, in theory理论, could cure治愈 the disease疾病.
28
90376
4200
01:47
Millions百万 suffer遭受 from sickle镰刀 cell细胞 anemia贫血
29
95268
2849
数百万人被镰刀型红血球病折磨,
因为他们的血红蛋白基因中
01:50
because they have
a single A to T point mutations突变
30
98141
3071
都含有从A到T的点突变。
01:53
in both copies副本 of their hemoglobin血红蛋白 gene基因.
31
101236
2361
01:57
And children孩子 with progeria早老症
are born天生 with a T
32
105529
3132
而患有早衰症的孩子
只不过生来就在基因组中的
某个位置有一个T,
02:00
at a single position位置 in their genome基因组
33
108685
2168
而正常的基因应该是C,
02:02
where you have a C,
34
110877
1399
02:05
with the devastating破坏性的 consequence后果
that these wonderful精彩, bright kids孩子
35
113125
3439
令人悲伤的是,这些聪明美好的孩子
衰老得非常快,通常活不过14岁。
02:08
age年龄 very rapidly急速 and pass通过 away
by about age年龄 14.
36
116588
3976
02:14
Throughout始终 the history历史 of medicine医学,
37
122358
1683
纵观整个医药史,
我们还没有找到有效的方法
02:16
we have not had a way
to efficiently有效率的 correct正确 point mutations突变
38
124065
3060
可以在生命系统中纠正点突变,
02:19
in living活的 systems系统,
39
127149
1769
将引起疾病的T改回正常的C。
02:20
to change更改 that disease-causing致病
T back into a C.
40
128942
3200
02:25
Perhaps也许 until直到 now.
41
133482
1968
但现在我们有办法了。
因为我的实验室
最近成功发明了一种技术,
02:27
Because my laboratory实验室 recently最近 succeeded成功
in developing发展 such这样 a capability能力,
42
135474
4190
叫做“碱基编辑”。
02:31
which哪一个 we call "base基础 editing编辑."
43
139688
1800
02:35
The story故事 of how we developed发达 base基础 editing编辑
44
143277
2024
关于我们如何发明“碱基编辑”的故事
可以追溯到30亿年前。
02:37
actually其实 begins开始 three billion十亿 years年份 ago.
45
145325
2674
02:41
We think of bacteria
as sources来源 of infection感染,
46
149055
2660
我们通常认为细菌是感染源,
但其实细菌本身也容易被感染,
02:43
but bacteria themselves他们自己 are also
prone易于 to being存在 infected感染,
47
151739
3314
特别是被病毒。
02:47
in particular特定, by viruses病毒.
48
155077
1907
02:49
So about three billion十亿 years年份 ago,
49
157871
2151
因此大约30亿年前,
细菌进化出一种防御机制,
来抵抗病毒感染。
02:52
bacteria evolved进化 a defense防御 mechanism机制
to fight斗争 viral病毒 infection感染.
50
160046
3880
02:57
That defense防御 mechanism机制
is now better known已知 as CRISPRCRISPR.
51
165649
2785
这种防御机制如今被称为CRISPR。
03:01
And the warhead弹头 in CRISPRCRISPR
is this purple紫色 protein蛋白
52
169008
2825
CRISPR里最强的武器
是这种紫色的蛋白质,
它就像分子剪刀一样,
可以剪断DNA链,
03:03
that acts行为 like molecular分子
scissors剪刀 to cut DNA脱氧核糖核酸,
53
171857
3778
将双螺旋结构剪成2条单螺旋链。
03:07
breaking破坏 the double helix螺旋 into two pieces.
54
175659
2428
03:11
If CRISPRCRISPR couldn't不能 distinguish区分
between之间 bacterial细菌 and viral病毒 DNA脱氧核糖核酸,
55
179323
3976
如果CRISPR分不清
细菌和病毒的DNA,
这就不能算是一个好的防御系统。
03:15
it wouldn't不会 be a very useful有用
defense防御 system系统.
56
183323
2239
03:18
But the most amazing惊人 feature特征 of CRISPRCRISPR
57
186315
2785
但CRISPR最神奇之处在于
剪刀可以被编辑,
03:21
is that the scissors剪刀 can be
programmed程序 to search搜索 for,
58
189124
5037
专门寻找、锁定和剪断
03:26
bind捆绑 to and cut
59
194185
2423
特定的DNA片段。
03:28
only a specific具体 DNA脱氧核糖核酸 sequence序列.
60
196632
2738
03:32
So when a bacterium细菌 encounters遭遇
a virus病毒 for the first time,
61
200911
3397
所以当细菌首次遇到某个病毒时,
它会存储一小段病毒的DNA
03:36
it can store商店 a small snippet片段
of that virus's病毒的 DNA脱氧核糖核酸
62
204332
3373
以此来引导CRISPR的剪刀,
03:39
for use as a program程序
to direct直接 the CRISPRCRISPR scissors剪刀
63
207729
3644
如果将来发生感染,
就剪断病毒的DNA链。
03:43
to cut that viral病毒 DNA脱氧核糖核酸 sequence序列
during a future未来 infection感染.
64
211397
3536
03:47
Cutting切割 a virus's病毒的 DNA脱氧核糖核酸 messes混乱 up
the function功能 of the cut viral病毒 gene基因,
65
215778
4913
剪断病毒的DNA
会扰乱该病毒基因的表达功能,
从而中断病毒的生命。
03:52
and therefore因此 disrupts破坏
the virus's病毒的 life cycle周期.
66
220715
2702
03:58
Remarkable卓越 researchers研究人员 including包含
Emmanuelle艾曼纽 Charpentier夏邦杰, George乔治 Church教会,
67
226059
4801
许多优秀的研究者,比如
埃马纽埃尔·卡彭蒂耶、乔治·丘奇,
詹妮佛·杜德纳和张锋,
04:02
Jennifer詹妮弗 DoudnaDoudna and Feng Zhang
68
230884
2653
在6年前展示了
CRISPR的剪刀可以被编辑,
04:05
showed显示 six years年份 ago how CRISPRCRISPR scissors剪刀
could be programmed程序
69
233561
3969
用来剪断我们选择的DNA片段,
04:09
to cut DNA脱氧核糖核酸 sequences序列 of our choosing选择,
70
237554
2587
人类的基因片段,
04:12
including包含 sequences序列 in your genome基因组,
71
240165
2369
而不是细菌选的病毒的DNA片段。
04:14
instead代替 of the viral病毒 DNA脱氧核糖核酸 sequences序列
chosen选择 by bacteria.
72
242558
3343
04:18
But the outcomes结果 are actually其实 similar类似.
73
246550
2534
效果是相似的。
04:21
Cutting切割 a DNA脱氧核糖核酸 sequence序列 in your genome基因组
74
249606
2468
通过剪断基因中的DNA片段
同样会影响被剪基因的功能,
04:24
also disrupts破坏 the function功能
of the cut gene基因, typically一般,
75
252098
4127
04:28
by causing造成 the insertion插入 and deletion缺失
of random随机 mixtures混合物 of DNA脱氧核糖核酸 letters
76
256997
4467
方法就是在被剪的位置上增加或删除
随机的DNA碱基组合。
04:33
at the cut site现场.
77
261488
1153
04:36
Now, disrupting妨害 genes基因 can be very
useful有用 for some applications应用.
78
264625
3881
在某些情况下,扰乱基因非常有用。
04:42
But for most point mutations突变
that cause原因 genetic遗传 diseases疾病,
79
270005
4301
但对于大部分引起遗传疾病的
点突变而言,
仅仅剪断已经发生变异的基因,
对病人而言并没有意义,
04:46
simply只是 cutting切割 the already-mutated已经变异 gene基因
won't惯于 benefit效益 patients耐心,
80
274330
4357
因为这些变异基因的功能需要重置,
04:50
because the function功能 of the mutated突变 gene基因
needs需求 to be restored恢复,
81
278711
3968
而不是进一步打乱。
04:54
not further进一步 disrupted破坏.
82
282703
1615
04:57
So cutting切割 this
already-mutated已经变异 hemoglobin血红蛋白 gene基因
83
285259
2882
因此,把那些引起镰刀型贫血的,
已经变异的血红蛋白基因剪断,
05:00
that causes原因 sickle镰刀 cell细胞 anemia贫血
84
288165
2523
并不能恢复病人的造血功能。
05:02
won't惯于 restore恢复 the ability能力 of patients耐心
to make healthy健康 red blood血液 cells细胞.
85
290712
3516
05:07
And while we can sometimes有时 introduce介绍
new DNA脱氧核糖核酸 sequences序列 into cells细胞
86
295631
4341
有时候我们可以加入
一些新的DNA片段到细胞中,
替代被剪断区域周围的DNA链,
05:11
to replace更换 the DNA脱氧核糖核酸 sequences序列
surrounding周围 a cut site现场,
87
299996
3421
但可惜的是这一过程
对大部分细胞不起作用,
05:15
that process处理, unfortunately不幸, doesn't work
in most types类型 of cells细胞,
88
303441
4324
被影响的基因仍占主导地位。
05:19
and the disrupted破坏 gene基因 outcomes结果
still predominate占 主导 地位.
89
307789
2441
05:24
Like many许多 scientists科学家们,
I've dreamed梦见 of a future未来
90
312297
2182
像许多科学家一样,
我梦想着未来有一天,
我们可以治疗甚至治愈
05:26
in which哪一个 we might威力 be able能够 to treat对待
or maybe even cure治愈
91
314503
2774
人类遗传疾病。
05:29
human人的 genetic遗传 diseases疾病.
92
317301
1371
05:31
But I saw the lack缺乏 of a way
to fix固定 point mutations突变,
93
319135
3801
但我们缺乏修复点突变的方法,
而点突变是大部分
人类基因疾病的主因,
05:34
which哪一个 cause原因 most human人的 genetic遗传 diseases疾病,
94
322960
3024
是我们需要解决的主要问题。
05:38
as a major重大的 problem问题 standing常设 in the way.
95
326008
2388
05:41
Being存在 a chemist化学家, I began开始
working加工 with my students学生们
96
329434
2668
我是一名化学家,我跟我的学生们
一起研究将化学反应
应用于单个DNA碱基上的方法,
05:44
to develop发展 ways方法 on performing执行 chemistry化学
directly on an individual个人 DNA脱氧核糖核酸 base基础,
97
332126
4935
从而真正修复,而不仅仅是
终止引起基因疾病的变异。
05:49
to truly fix固定, rather than disrupt破坏,
the mutations突变 that cause原因 genetic遗传 diseases疾病.
98
337085
5619
05:56
The results结果 of our efforts努力
are molecular分子 machines
99
344522
2548
我们的成果就是分子机器,
叫做“碱基编辑器”。
05:59
called "base基础 editors编者."
100
347094
1388
06:01
Base基础 editors编者 use the programmable可编程的
searching搜索 mechanism机制 of CRISPRCRISPR scissors剪刀,
101
349618
5475
碱基编辑器使用的是
类似CRISPR剪刀的可编程搜索机制,
但与剪断DNA不同的是,
06:07
but instead代替 of cutting切割 the DNA脱氧核糖核酸,
102
355117
2936
它们直接将一个碱基变成另一个,
06:10
they directly convert兑换
one base基础 to another另一个 base基础
103
358077
2941
而不会破坏基因的其他部分。
06:13
without disrupting妨害 the rest休息 of the gene基因.
104
361042
2253
06:16
So if you think of naturally自然 occurring发生
CRISPRCRISPR proteins蛋白质 as molecular分子 scissors剪刀,
105
364674
4158
如果将CRISPR蛋白质
比作分子剪刀的话,
碱基编辑器就像铅笔,
06:20
you can think of base基础 editors编者 as pencils铅笔,
106
368856
2786
它能直接改写DNA碱基,
06:23
capable of directly rewriting重写
one DNA脱氧核糖核酸 letter into another另一个
107
371666
3496
06:28
by actually其实 rearranging重排
the atoms原子 of one DNA脱氧核糖核酸 base基础
108
376098
3803
通过重新排列DNA碱基上的原子,
而不是将它变成一个不同的碱基。
06:31
to instead代替 become成为 a different不同 base基础.
109
379925
2334
06:35
Now, base基础 editors编者 don't exist存在 in nature性质.
110
383513
2176
碱基编辑器在大自然中并不存在。
06:38
In fact事实, we engineered工程
the first base基础 editor编辑, shown显示 here,
111
386683
3230
实际上,我们制造的
第一个碱基编辑器,如图所示,
是由3种独立的蛋白质组成,
06:41
from three separate分离 proteins蛋白质
112
389937
1357
它们甚至都不是来自同一个生物体。
06:43
that don't even come
from the same相同 organism生物.
113
391318
2230
06:46
We started开始 by taking服用 CRISPRCRISPR scissors剪刀
and disabling禁用 the ability能力 to cut DNA脱氧核糖核酸
114
394151
5097
我们首先抑制CRISPR剪刀
剪断DNA的功能,
并通过编程的方法,保持其搜索和锁定
06:51
while retaining固定 its ability能力 to search搜索 for
and bind捆绑 a target目标 DNA脱氧核糖核酸 sequence序列
115
399272
4539
目标DNA片段的能力。
06:55
in a programmed程序 manner方式.
116
403835
1534
06:58
To those disabled CRISPRCRISPR
scissors剪刀, shown显示 in blue蓝色,
117
406351
2837
在功能被抑制的CRISPR剪刀上,
图中蓝色的部分,
我们加上了第2种蛋白质,
在这里用红色标出,
07:01
we attached a second第二 protein蛋白 in red,
118
409212
2508
它会与DNA碱基C发生化学反应,
07:03
which哪一个 performs施行 a chemical化学 reaction反应
on the DNA脱氧核糖核酸 base基础 C,
119
411744
4301
将其转换成与T行为相似的碱基。
07:08
converting转换 it into a base基础
that behaves的行为 like T.
120
416069
3333
07:12
Third第三, we had to attach连接
to the first two proteins蛋白质
121
420958
3142
第3步,我们将图片中
用紫色标出的蛋白质
加在前2种蛋白质上,
07:16
the protein蛋白 shown显示 in purple紫色,
122
424124
1350
来保护被编辑过的碱基不被细胞移除。
07:17
which哪一个 protects保护 the edited编辑 base基础
from being存在 removed去除 by the cell细胞.
123
425498
3600
07:22
The net result结果 is an engineered工程
three-part三部分 protein蛋白
124
430466
2842
最终结果就是制造出一个
由3部分组成的蛋白质,
这也是我们在史上首次
将基因组特定位置的
07:25
that for the first time
allows允许 us to convert兑换 Cs into TsTS
125
433332
4118
07:29
at specified规定 locations地点 in the genome基因组.
126
437474
2163
碱基C转换为T。
07:33
But even at this point,
our work was only half doneDONE.
127
441490
3032
但做到这一步,
我们的工作也仅仅完成了一半。
因为为了保持细胞的稳定,
07:36
Because in order订购 to be stable稳定 in cells细胞,
128
444546
2626
DNA双螺旋结构中的两条链
必须形成碱基对。
07:39
the two strands of a DNA脱氧核糖核酸 double helix螺旋
have to form形成 base基础 pairs.
129
447196
3659
07:44
And because C only pairs with G,
130
452125
3658
因为C只能跟G配对,
T只能跟A配对,
07:47
and T only pairs with A,
131
455807
3002
07:51
simply只是 changing改变 a C to a T
on one DNA脱氧核糖核酸 strand creates创建 a mismatch不匹配,
132
459752
4846
如果只是将一链上的碱基C变成T,
会造成DNA双螺旋的不匹配,
07:56
a disagreement异议 between之间 the two DNA脱氧核糖核酸 strands
133
464622
2849
要解决这个问题,
细胞需要决定替换哪一条链。
07:59
that the cell细胞 has to resolve解决
by deciding决定 which哪一个 strand to replace更换.
134
467495
4268
08:05
We realized实现 that we could further进一步 engineer工程师
this three-part三部分 protein蛋白
135
473149
4341
我们认识到可以改进
这个由3部分组成的蛋白质,
08:10
to flag the nonedited未经编辑 strand
as the one to be replaced更换
136
478649
3866
将未编辑的那条链标记为
要被切割掉。
08:14
by nicking切口 that strand.
137
482539
1911
08:17
This little nick缺口 tricks技巧 the cell细胞
138
485276
2529
这个小缺口诱骗细胞
用A取代未编辑的G,
08:19
into replacing更换 the nonedited未经编辑 G with an A
139
487829
4947
因为它重新生成了完整的单链,
08:24
as it remakes重制作 the nicked缺口 strand,
140
492800
2325
这样就完成了C-G碱基对
08:27
thereby从而 completing完成 the conversion转变
of what used to be a C-GC-G base基础 pair
141
495149
4031
到稳定的T-A碱基对的转变。
08:31
into a stable稳定 T-AT-A base基础 pair.
142
499204
2296
08:36
After several一些 years年份 of hard work
143
504585
1551
在实验室前博士后Alexis Komor
领导的几年努力工作之后,
08:38
led by a former前任的 post岗位 docDOC
in the lab实验室, Alexis亚历克西斯 Komor科莫,
144
506160
3981
我们成功地开发了第一代碱基编辑器,
08:42
we succeeded成功 in developing发展
this first class of base基础 editor编辑,
145
510165
3182
将指定位置的C都转变为T,
08:45
which哪一个 converts转换 Cs into TsTS and GsGS into As
146
513371
3666
G都转变为A。
08:49
at targeted针对 positions位置 of our choosing选择.
147
517061
2159
08:52
Among其中 the more than 35,000 known已知
disease-associated疾病相关 point mutations突变,
148
520633
5230
在3.5万多个已知的
与点突变有关的疾病中,
第一代碱基编辑器可以逆转的两种突变
08:57
the two kinds of mutations突变
that this first base基础 editor编辑 can reverse相反
149
525887
3785
总共占致病点突变的
14%或5000种左右。
09:01
collectively account帐户 for about 14 percent百分
or 5,000 or so pathogenic point mutations突变.
150
529696
6143
09:08
But correcting修正 the largest最大 fraction分数
of disease-causing致病 point mutations突变
151
536593
4770
但是,纠正大部分致病点突变
需要开发第二代碱基编辑器,
09:13
would require要求 developing发展
a second第二 class of base基础 editor编辑,
152
541387
3635
一个可以将A都转变为G
或T都转变为C的工具。
09:17
one that could convert兑换
As into GsGS or TsTS into Cs.
153
545046
4086
09:22
Led by Nicole妮可 Gaudelli高代利,
a former前任的 post岗位 docDOC in the lab实验室,
154
550846
3727
在实验室前博士后
Nicole Gaudelli的领导下,
我们着手开发了这个第二代碱基编辑器,
09:26
we set out to develop发展
this second第二 class of base基础 editor编辑,
155
554597
3122
从理论上讲,这样可以
纠正近一半的致病点基因突变,
09:29
which哪一个, in theory理论, could correct正确 up to
almost几乎 half of pathogenic point mutations突变,
156
557743
6127
包括导致早衰症的突变。
09:35
including包含 that mutation突变 that causes原因
the rapid-aging快速老化 disease疾病 progeria早老症.
157
563894
3911
09:42
We realized实现 that we could
borrow, once一旦 again,
158
570107
3167
我们意识到我们可以再次借助,
CRISPR剪刀的靶向机制,
09:45
the targeting针对 mechanism机制 of CRISPRCRISPR scissors剪刀
159
573298
4068
将新的碱基编辑器
带到基因组的正确位置。
09:49
to bring带来 the new base基础 editor编辑
to the right site现场 in a genome基因组.
160
577390
5161
09:55
But we quickly很快 encountered遇到
an incredible难以置信 problem问题;
161
583543
3092
但我们很快遇到了
一个棘手的难题;
09:59
namely亦即, there is no protein蛋白
162
587896
2428
具体来说,在DNA中没有
已知的蛋白质
可以将A转化成G
10:02
that's known已知 to convert兑换
A into G or T into C
163
590348
4052
或者T转化成C。
10:06
in DNA脱氧核糖核酸.
164
594424
1161
10:08
Faced面对 with such这样 a serious严重 stumbling绊脚 block,
165
596760
2166
面对如此严重的困难险阻,
很多学生可能会寻找其他方案,
10:10
most students学生们 would probably大概
look for another另一个 project项目,
166
598950
2532
而不是咨询其他研究顾问。
10:13
if not another另一个 research研究 advisor顾问.
167
601506
1740
(笑声)
10:15
(Laughter笑声)
168
603270
1164
但Nicole同意继续实施一项
10:16
But Nicole妮可 agreed同意 to proceed继续 with a plan计划
169
604458
1942
当时看来雄心勃勃的计划。
10:18
that seemed似乎 wildly疯狂 ambitious有雄心 at the time.
170
606424
2667
10:21
Given特定 the absence缺席
of a naturally自然 occurring发生 protein蛋白
171
609966
2339
鉴于缺乏一种自然产生的蛋白质
来进行必要的化学反应,
10:24
that performs施行 the necessary必要 chemistry化学,
172
612329
2161
我们决定在实验室里
进化我们自己的蛋白质
10:26
we decided决定 we would evolve发展
our own拥有 protein蛋白 in the laboratory实验室
173
614514
3436
来把A转化成一个像G一样的碱基,
10:29
to convert兑换 A into a base基础
that behaves的行为 like G,
174
617974
3835
从一种对RNA进行相关
化学反应的蛋白质开始。
10:33
starting开始 from a protein蛋白
that performs施行 related有关 chemistry化学 on RNARNA.
175
621833
4827
10:39
We set up a Darwinian达尔文
survival-of-the-fittest优胜劣汰 selection选择 system系统
176
627230
3934
我们建立了达尔文适者生存选择体系,
探索了数千万种蛋白质变异,
10:43
that explored探讨 tens of millions百万
of protein蛋白 variants变种
177
631188
3992
只允许那些能够进行
10:47
and only allowed允许 those rare罕见 variants变种
178
635204
2018
必要化学反应的罕见变异存活下来。
10:49
that could perform演出 the necessary必要
chemistry化学 to survive生存.
179
637246
3221
10:53
We ended结束 up with a protein蛋白 shown显示 here,
180
641883
2388
我们最终得到了这里显示的蛋白质,
第一个能把DNA中的A
10:56
the first that can convert兑换 A in DNA脱氧核糖核酸
181
644295
2857
转化成类似G的碱基。
10:59
into a base基础 that resembles酷似 G.
182
647176
2092
当我们把这个蛋白质连接到
11:01
And when we attached that protein蛋白
183
649292
1603
受到抑制的CRISPR剪刀上,
这里用蓝色标示,
11:02
to the disabled CRISPRCRISPR
scissors剪刀, shown显示 in blue蓝色,
184
650919
2571
第二代碱基编辑器就诞生了,
11:05
we produced生成 the second第二 base基础 editor编辑,
185
653514
2008
可以把A转变为G,
11:07
which哪一个 converts转换 As into GsGS,
186
655546
3095
然后使用第一代碱基编辑器中
11:10
and then uses使用 the same相同
strand-nicking绞线刻痕 strategy战略
187
658665
3841
同样的链切割策略
11:14
that we used in the first base基础 editor编辑
188
662530
1920
11:16
to trick the cell细胞 into replacing更换
the nonedited未经编辑 T with a C
189
664474
5465
诱骗细胞用C取代未编辑的T,
当它重新生成单链后,
11:21
as it remakes重制作 that nicked缺口 strand,
190
669963
1675
就完成了A-T碱基对
到G-C碱基对的转变。
11:23
thereby从而 completing完成 the conversion转变
of an A-TA-T base基础 pair to a G-CG-C base基础 pair.
191
671662
4171
11:28
(Applause掌声)
192
676845
2047
(鼓掌)
谢谢。
11:30
Thank you.
193
678916
1170
(鼓掌)
11:32
(Applause掌声)
194
680110
3357
作为一个美国学术科学家,
11:35
As an academic学术的 scientist科学家 in the US,
195
683491
2335
11:37
I'm not used to being存在
interrupted间断 by applause掌声.
196
685850
2147
我还不是很习惯被掌声打断。
(笑声)
11:40
(Laughter笑声)
197
688021
3151
我们开发的这两代碱基编辑器
11:43
We developed发达 these
first two classes of base基础 editors编者
198
691196
4405
分别诞生于3年前和1年半前而已。
11:47
only three years年份 ago
and one and a half years年份 ago.
199
695625
2774
11:51
But even in that short time,
200
699267
1548
但在这短短的时间里,
碱基编辑器已经被
生物医学团队广泛使用。
11:52
base基础 editing编辑 has become成为 widely广泛 used
by the biomedical生物医药 research研究 community社区.
201
700839
3722
11:57
Base基础 editors编者 have been sent发送
more than 6,000 times
202
705776
4365
碱基编辑器应全球超过
1000位研究者的请求
已经被发送到全球各地多达6千次。
12:02
at the request请求 of more than
1,000 researchers研究人员 around the globe地球.
203
710165
3871
12:07
A hundred scientific科学 research研究 papers文件
have been published发表 already已经,
204
715475
3516
目前发表的相关科研论文多达百篇,
包括了从细菌到植物,
从老鼠到灵长类动物的生物体中
12:11
using运用 base基础 editors编者 in organisms生物
ranging不等 from bacteria
205
719015
3728
使用的碱基编辑器。
12:14
to plants植物 to mice老鼠 to primates灵长类动物.
206
722767
2134
12:19
While base基础 editors编者 are too new
207
727950
1607
碱基编辑器还太新,
尚未进入人体临床试验,
12:21
to have already已经 entered进入
human人的 clinical临床 trials试验,
208
729581
2885
科学家们已经在为之努力了,
12:24
scientists科学家们 have succeeded成功 in achieving实现
a critical危急 milestone里程碑 towards that goal目标
209
732490
5122
他们成功使用动物的碱基编辑器
12:29
by using运用 base基础 editors编者 in animals动物
210
737636
2849
来纠正导致人类遗传疾病的点突变。
12:32
to correct正确 point mutations突变
that cause原因 human人的 genetic遗传 diseases疾病.
211
740509
3909
12:37
For example,
212
745815
1151
比如,
由Luke Koblan和Jon Levy领导
的一个科学家合作小组,
12:38
a collaborative共同 team球队 of scientists科学家们
led by Luke卢克 Koblan科布兰 and Jon乔恩 Levy征收,
213
746990
3793
外加我们实验室的两个学生,
12:42
two additional额外 students学生们 in my lab实验室,
214
750807
2413
最近使用了一种病毒
将第二代碱基编辑器
12:45
recently最近 used a virus病毒 to deliver交付
that second第二 base基础 editor编辑
215
753244
4119
植入患有早衰症的老鼠体内,
12:49
into a mouse老鼠 with progeria早老症,
216
757387
2190
把致病的T变回C,
12:51
changing改变 that disease-causing致病
T back into a C
217
759601
3857
并在DNA、RNA和蛋白质层面上
逆转了其导致的后果。
12:55
and reversing倒车 its consequences后果
at the DNA脱氧核糖核酸, RNARNA and protein蛋白 levels水平.
218
763482
4106
13:00
Base基础 editors编者 have also
been used in animals动物
219
768880
2746
碱基编辑器也被用于动物身上
来逆转酪氨酸血症,
13:03
to reverse相反 the consequence后果 of tyrosinemia酪氨酸血症,
220
771650
2924
13:07
beta公测 thalassemia地中海 贫血, muscular肌肉发达 dystrophy营养不良,
221
775642
3618
地中海贫血,肌营养不良,
苯丙酮尿症,某种先天性耳聋
13:11
phenylketonuria苯 丙酮 尿 症, a congenital先天性 deafness
222
779284
3690
和某种类型的心血管疾病——
13:14
and a type类型 of cardiovascular心血管 disease疾病 --
223
782998
1939
在这些案例中,通过直接纠正
13:16
in each case案件, by directly
correcting修正 a point mutation突变
224
784961
4862
导致或者参与致病的点突变
就可以逆转病症。
13:21
that causes原因 or contributes有助于 to the disease疾病.
225
789847
2553
13:25
In plants植物, base基础 editors编者 have been used
226
793688
2056
在植物中,碱基编辑器已被用于
引入单个DNA字符的改变
13:27
to introduce介绍 individual个人
single DNA脱氧核糖核酸 letter changes变化
227
795768
4072
以带来更好的收成。
13:31
that could lead to better crops作物.
228
799864
1968
13:34
And biologists生物学家 have used base基础 editors编者
to probe探测 the role角色 of individual个人 letters
229
802253
4589
生物学家也使用了碱基编辑器
来探索单个碱基
在与癌症等疾病相关的基因中的作用。
13:38
in genes基因 associated相关
with diseases疾病 such这样 as cancer癌症.
230
806866
2817
13:43
Two companies公司 I cofounded共同创立,
Beam光束 Therapeutics疗法 and Pairwise配对 Plants植物,
231
811046
4567
我联合创办的两家公司,
Beam Therapeutics和Pairwise Plants,
正使用碱基编辑器治疗人类基因疾病
13:47
are using运用 base基础 editing编辑
to treat对待 human人的 genetic遗传 diseases疾病
232
815637
3825
和改善农业。
13:51
and to improve提高 agriculture农业.
233
819486
1606
13:53
All of these applications应用 of base基础 editing编辑
234
821953
1966
所有这些对碱基编辑的应用
都发生在不到三年的时间里:
13:55
have taken采取 place地点 in less
than the past过去 three years年份:
235
823943
3094
在科学的历史尺度上,
13:59
on the historical历史的 timescale时间表 of science科学,
236
827061
2364
这只是一眨眼的功夫。
14:01
the blink of an eye.
237
829449
1282
14:04
Additional额外 work lies ahead
238
832657
1253
在碱基编辑器
提升基因疾病病人的生命质量前,
14:05
before base基础 editing编辑 can realize实现
its full充分 potential潜在
239
833934
3032
我们仍有很多额外的工作要做。
14:08
to improve提高 the lives生活 of patients耐心
with genetic遗传 diseases疾病.
240
836990
3614
14:13
While many许多 of these diseases疾病
are thought to be treatable可治疗
241
841244
2780
尽管许多这些疾病被认为是
只需要纠正器官中
很小一部分细胞
14:16
by correcting修正 the underlying底层 mutation突变
242
844048
1849
的潜在突变就能治疗的,
14:17
in even a modest谦虚 fraction分数
of cells细胞 in an organ器官,
243
845921
3516
将分子机器(如碱基编辑器)
14:21
delivering交付 molecular分子 machines
like base基础 editors编者
244
849461
2976
送入人体细胞
14:24
into cells细胞 in a human人的 being存在
245
852461
1767
仍然富有挑战。
14:26
can be challenging具有挑战性的.
246
854252
1169
14:28
Co-opting增选 nature's大自然 viruses病毒
to deliver交付 base基础 editors编者
247
856962
3373
利用自然界的病毒来传递碱基编辑器,
而不是让你感冒的分子来做这个,
14:32
instead代替 of the molecules分子
that give you a cold
248
860359
2198
是几种已经成功实践的
14:34
is one of several一些 promising有希望
delivery交货 strategies策略
249
862581
2687
有前景的传递策略之一。
14:37
that's been successfully顺利 used.
250
865292
1659
14:40
Continuing继续 to develop发展
new molecular分子 machines
251
868268
2365
继续研究开发新的分子机器,
找到其他的方法
14:42
that can make all of the remaining其余 ways方法
252
870657
1868
将一个碱基对转变成
另一个碱基对,
14:44
to convert兑换 one base基础 pair
to another另一个 base基础 pair
253
872549
2892
并尽量减少细胞非目标位置上
不必要的编辑
14:47
and that minimize最小化 unwanted不需要 editing编辑
at off-target不中 locations地点 in cells细胞
254
875465
4380
是非常重要的。
14:51
is very important重要.
255
879869
1200
14:53
And engaging with other scientists科学家们,
doctors医生, ethicists伦理学家 and governments政府
256
881782
4706
与其他科学家、医生、
伦理学家和政府合作,
最大限度地提高
碱基编辑用于深思熟虑、
14:58
to maximize最大化 the likelihood可能性
that base基础 editing编辑 is applied应用的 thoughtfully沉思地,
257
886512
4791
安全和合乎道德的可能性,
15:03
safely安然 and ethically道德,
258
891327
2381
仍然是一项重要义务。
15:05
remains遗迹 a critical危急 obligation义务.
259
893732
2000
15:09
These challenges挑战 notwithstanding虽然,
260
897525
1611
尽管有这些挑战,
如果你在五年前告诉我
15:11
if you had told me
even just five years年份 ago
261
899160
3655
全球的研究人员
15:14
that researchers研究人员 around the globe地球
262
902839
1651
将使用实验室发明的分子机器
15:16
would be using运用 laboratory-evolved实验室进化
molecular分子 machines
263
904514
3539
来直接有效地把单个碱基对
15:20
to directly convert兑换
an individual个人 base基础 pair
264
908077
2997
转变成另一个碱基对,
15:23
to another另一个 base基础 pair
265
911098
1182
15:24
at a specified规定 location位置
in the human人的 genome基因组
266
912304
2619
放在特定的基因组位置,
而且不会产生其他结果,
15:26
efficiently有效率的 and with a minimum最低限度
of other outcomes结果,
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我会反问你,
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I would have asked you,
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“你是不是在读哪本科幻小说?”
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group of students学生们
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感谢我们孜孜不倦的学生,
他们有惊人的创造力来设计工具,
使得我们可以改造自身,
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who were creative创作的 enough足够 to engineer工程师
what we could design设计 ourselves我们自己
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并勇敢地去进化
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科幻小说般的渴望
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转变成令人兴奋的现实,
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into an exciting扣人心弦 new reality现实,
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同时还有保护和修复它们的方法。
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and repair修理 them.
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Thank you.
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谢谢。
(鼓掌)
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(Applause掌声)
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谢谢。
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Thank you.
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Translated by psjmz mz
Reviewed by Jin Ge

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ABOUT THE SPEAKER
David R. Liu - Chemical biologist
David R. Liu leads a research group that combines chemistry and evolutionary techniques to create revolutionary new medicines.

Why you should listen

During his PhD research at Berkeley, David R. Liu initiated the first general effort to expand the genetic code in living cells. As a professor at Harvard and the Broad Institute, Liu integrates chemistry and evolution to illuminate biology and develop next-generation therapeutics. He has published more than 170 papers and is an inventor on more than 65 issued US patents.

Liu's major research interests include development and use of genome editing technologies to study and treat genetic diseases; the evolution of proteins with novel therapeutic potential; and the discovery of bioactive synthetic molecules using DNA-encoded libraries. Base editing, phage-assisted continuous evolution (PACE) and DNA-encoded libraries are three technologies pioneered in his laboratory that are now widely used in the biomedical sciences. Liu has also cofounded six biotechnology and therapeutics companies, including Editas Medicine, Beam Therapeutics, Pairwise Plants and Exo Therapeutics. 

Liu grew up in Riverside, California, where playing with insects in his backyard crystallized his interest in science. He also is passionate about photography and has been banned from playing blackjack at virtually every major casino in Las Vegas after developing a creative and highly advantageous card-counting system.

More profile about the speaker
David R. Liu | Speaker | TED.com